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
страница6 из 16
Каталог
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16
и он
ИОНИЗАЦИЯ
и з ото п ы
ИОН. В своем нормальном состоянии, те. не находясь ни под каким внешним воздействием, атомы вещества, как правило, электрически нейтральны, те. сумма положительных зарядов всех входящих
в их ядра протонов строго равна сумме отрицательных зарядов всех вращающихся вокруг ядер элект­
ронов.
В результате взаимодействия с другими атомами — входе химических реакций, при сильном нагревании, под действием сильных электрических полей, света и других излучений — атомы некоторых элементов могут потерять один или несколько электронов, расположенных на самых внешних электронных орбитах, атомы других, наоборот, захватить себе лишние, чужие электроны. С этого момента пребывание атома в нейтральном, безразличном состоянии прекращается, ион становится электрически активным ионом потерявший какое-то количество электронов атом — положительным ионом, захвативший лишние электроны атом — отрицательным ионом. Оторванный от своего атома, ноне захваченный каким-либо другим атомом электрон становится свободным электроном.
ИОНИЗАЦИЯ. Процесс превращения электрически нейтральных атомов в активные ионы называют ионизацией. В подавляющем большинстве случаев процесс ионизации атомов связан с потерей ими электронов, тес образованием положительных ионов.
Так как хаотическое тепловое движение атомов и молекул в веществе, а следовательно, и столкновения между ними начинаются не от привычного нам
0° С, а от абсолютного нуля — 0° К (—273,16° Сто и процесс ионизации начинается от этой температуры. По мере повышения температуры ионизация постепенно увеличивается — почти незаметно — в твердых веществах, более активно в жидкостях и весьма энергично в газах.
Если же к ионизированному газу приложить внешнее электрическое полетов нем начнется
упорядоченное, направленное движение электронов в одну сторону, а положительно заряженных ионов газа в другую сторону, те. через ионизированное вещество потечет электрический ток.
Степень ионизации, естественно, зависит отряда обстоятельств природы вещества (если это газ, то от плотности или степени разрежения, температуры, энергии ионизирующего излучения и других при­
чин.
ИЗОТОПЫ. Изучая естественные радиоактивные элементы, ученые столкнулись с некоторыми непонятными явлениями.
Вещества, образующиеся в результате радиоактивного распада, оказывались по своим свойствам совершенно одинаковыми с уже известными химическими элементами, отличаясь от них лишь атомной массой. Например, открытое в 1906 г. вещество — ионий — оказалось идентичным торию, а обнаруженный в следующем году мезоторий — радию. Все виды свинца, получающиеся в конечном результате последовательных распадов цепочек урана, тория и актиния, отличаются друг от друга и от обычного свинца только своей атомной массой. Поэтому в процессе постепенного уточнения таблицы элементов Менделеева приходилось в одни и те же клетки помещать уже несколько видов атомов элементов с к совершенно одинаковыми химическими свойствами, но различных по массе. Такие атомы-близнецы стали называть изотопами (занимающие одинаковое место).
Естественно, возникло подозрение а нет ли изотопов и у обычных, нерадиоактивных элементов Однако выделить их обычными — химическими — методами невозожно, так как химически они идентичны. Электрическое поле тоже бессильно, ибо число электронов на орбитах у них одинаково
Какое же свойство изотопов одних и тех же элементов можно было бы использовать для их разделения Только одно — разницу в массе. Но обнаружить ее можно было бы лишь при движении электрически заряженных ионов в сильном электрическом или магнитном поле. При одинаковой скорости путь (траектория) атома более легкого изотопа искривлялся бы больше, чем путь атома более тяжелого изотопа.
На этом принципе и работает своеобразная машина для сортировки атомов — масс-спектрограф
Астона, названный так по имени впервые сконструировавшего его английского физика (см. Разделение
изотопов).
Оказалось, что почти у всех химических элементов имеются свои изотопы. У одних элементов их мало, у других довольно много. Так, кислород состоит из трех изотопов кислорода (99,76%), кислорода) и кислорода (Изотопы бывают устойчивые (стабильные) и неустойчивые (радиоактивные, те. самопроизвольно распадающиеся стечением времени (см. Радиоактивные изотопы У 92 элементов таблицы Менделеева к настоящему времени обнаружено более 250 94
устойчивых изотопов, более 50 естественных и более
1000 искусственных радиоактивных изотопов!
Возможность примешивать к обычным химическим элементам их радиоактивные близнецы открыла широкую дорогу для применения таких непрерывно сигнализирующих о своем присутствии веществ в научных исследованиях, особенно в биологии, медицине, в общей и органической химии, а также в технике и промышленности (см. Меченые атомы).

ИЗОБАРЫ. Так называют ядра атомов, имеющих одинаковые атомные массы, но различное число положительных зарядов, а следовательно, и принадлежащие атомам разных химических элементов. Известно очень большое число как устойчивых, таки радиоактивных изобар например, цирконий (^Zr), молибден (^Мо), рутений (^Ru). У них у всех одинаковая атомная масса (96), но разные атомные номера (40, 42 и ИЗОМЕРЫ ЯДЕРНЫЕ. Радиоактивные ядра атомов некоторых элементов могут состоять из одного итого же количества протонов и нейтронов, но по-разному размещенных в пределах ядра. Благодаря этим особенностям ядра могут пребывать в разной степени возбужденного состояния, а при последующем распаде обладать и различной радиоактивностью, те. отличаться разными периодами полураспада. Например, ядра атомов одних и тех же искусственных радиоактивных изотопов сурьмы могут иметь изомерные возбужденные состояния с периодами полураспада 1,3 мин
21 мини суток.
ИОД РАДИОАКТИВНЫЙ. Природный иод—химический элемент VII группы Периодической системы Д. И. Менделеева с порядковым номером 53 и атомной массой 126,9 (з 1) имеет всего лишь один изотоп. Однако путем облучения нейтронами в ядерном реакторе сурьмы, теллура, а также в результате деления ядер урана и плутония может быть получен целый набор радиоактивных изотопов иода с самыми различными периодами полураспада иод-125
(56 дней, иод-128 (25 мин иод-130 (12,6 ч, иод-131 (8 дней, иод-132 (2,4 ч, иод-183 (22 ч, иод-135 (6,7 ч. Радиоактивные изотопы иода широко применяют в медицине и биологии, главным образом для исследований и лечения заболеваний
щитовидной железы, которая накапливает в себе иод. Для этого особенно пригодны радиоактивные изотопы иод-125 и иод-131, обладающие периодами полураспада 56 и 8 дней соответственно. Концентрация в щитовидной железе может быть довольно точно измерена извне с помощью обычных дозиметров, чувствительных к гамма-излучению этих изото­
пов.
Лечебное действие радиоактивного иода, например при раковом заболевании или болезненно повышенной функции щитовидной железы, основано на том, что, накопившись в щитовидной железе, он своим бета-излучением разрушает пораженные или больные клетки железы.
При взрыве в атмосфере атомных бомб в выпадающих радиоактивных осадках есть и долгоживущие изотопы иода. Попадая в организм людей и животных, они могут вызывать лучевую болезнь, а при значительных концентрациях их гибель.
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА. Если в сосуд, содержащий некоторое количество ионизированного газа, ввести два противоположно заряженных электрода источника напряжения, то положительно заряженные ионы начнут двигаться к отрицательному электроду источника, а отрицательные ионы электроны) к положительному. На этом принципе и основан самый простой прибор для ядерных исследований — ионизационная камера. Пролетающая через камеру заряженная частица ионизирует некоторое количество атомов газа, а образующиеся при этом ионы под действием электрического поля собираются на соответствующих электродах. По показаниям электрометра и судят о количестве прошедших через камеру частиц или о величине их заряда.
ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ - все виды излучений, вызывающие ионизацию атомов или молекул вещества. К их числу относят видимые и ультрафиолетовые лучи света, рентгеновское и гамма-излучения, любые заряженные частицы электроны, протоны, альфа-частицы, многозарядные ионы, а также нейтроны.
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ИОННАЯ РАКЕТА. За последние годы в связи с созданием мощных ускорителей заряженных частиц и плазменных преобразователей тепла непосредственно в электричество начались разработки так называемых ионных реактивных двигателей для ра кет.
Очень заманчива здесь возможность сначала превратить в низкотемпературную плазму, те. ионизировать, газообразное топливо, а затем ускорить полученные ионы до скоростей, соизмеримых со скоростью света, а тем самым увеличить тягу двигателей во столько раз по сравнению с обычными видами топлива, во сколько раз скорость истечения ионов превышает скорость истечения газообразных продуктов сжигания химического топлива, если брать их одинаковые количества. Отсюда повышенные грузоподъемность, скорость и дальность полета ракет, больший запас поднимаемого ими топлива и другие столь же решающие преимуще­
ства.
Естественно, что при применении ионных двигателей ничего не дается даром. Для того чтобы иметь возможность ионизировать огромное количество атомов газообразного топлива, а затем разогнать полученную массу заряженных частиц до скоростей порядка десятков и сотен тысяч километров в секунду, необходимо устанавливать на ракете мощные источники энергии, веси объем которых съедят значительную долю преимуществ, приобретенных за счет огромного выигрыша вскорости истечения реактивной струи. Однако подсчеты, проведенные учеными, показали, что игра, безусловно, стоит свеч. Плазменные двигатели, созданные советскими учеными, впервые были применены на автоматической межпланетной станции Зонд в 1964 г.
Устройство ионного двигателя исключительно просто. Основная его часть — электрический генератор, создающий сильное электрическое поле высокого напряжения. Источником положительно заряженных ионов могут быть газообразные вещества, например, водород и гелий, легкий металл цезий или другие вещества, теряющие свои электроны уже при сравнительно невысоких температурах — порядка двух — пяти тысяч градусов. Попадая в электрическое поле мощного ускорителя, ионы разгоняются до космических скоростей и выбрасываются из хвостовой части двигателя, создавая таким образом тягу.
ИСКРОВАЯ КАМЕРА — счетчик для регистрации ионизирующих излучений, в котором заряженная частица, пролетая в точно подобранном промежутке между двумя находящимися под высоким электрическим напряжением электродами, ионизирует заполняющий этот промежуток газ или иное вещество. В результате между электродами при каждом появлении заряженной частицы возникает обычный электрический разряд (электрическая искра. Присоединенное к такой камере устройство позволяет считать число разрядов в единицу времени, а тем самыми количество пролетающих через искровой промежуток заряженных частиц (см. Камеры регистрационные
К ЗАХВАТ КВАНТЫ. ТЕОРИЯ КВАНТОВ
КРИТИЧЕСКАЯ МАССА ЯДЕРНОГО ГОРЮЧЕГО КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ НЕЙТРОНОВ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
/С-ЗАХВАТ. Помимо двух видов самопроизвольного естественного) распада ядер атомов радиоактивных веществ, сопровождающихся испусканием бета-час­
тиц (см. Бета-распад), в ряде случаев наблюдается еще один, совершенно иной вид распада, с испусканием нейтрино, названный захватом. Это происходит, когда ядро возбужденного атома захватывает один из своих собственных электронов, вращающихся вокруг него на ближайших к ядру орбитах, чаще всего с орбиты, обозначаемой латинской буквой К Втянутый в ядро электрон немедленно исчезает, соединяясь с одним из протонов, который превращается в нейтрон. В результате такого захвата ядро атома становится ядром атома элемента, имеющего порядковый номер в периодической таблице элементов на единицу меньше (исчез один положительный электрический эаряд его ядра, нос прежним массовым числом, так как протон просто превратился в нейтрон, те. становится ядром-изомером совсем другого элемента (см. Изомеры ядерные Например, ядро атома бериллия, состоящее из
4 протонов и 3 нейтронов (всего 7 нуклонов, захватив с орбиты свой же электрон, становится ядром атома лития, состоящего из 3 протонов и 4 нейтронов (тоже 7 нуклонов).
Поскольку при захвате с электронной оболочки атома исчезает (а непросто удаляется) один из его электронов, такой процесо превращения ядра атома одного элемента в другой сопровождается испусканием кванта рентгеновского излучения и нейтрино
КВАНТЫ. ТЕОРИЯ КВАНТОВ. Хотя поведение света, рентгеновского и гамма-излучений в обычных условиях долгое время убедительно свидетельствовало об их волновых свойствах, был известен и целый ряд явлений, которые теорией волнового процесса никак не подтверждались. Их можно было легко объяснить только в том случае, если предположить, что очень коротким электромагнитным волнам, по крайней мере при их взаимодействии с веществом, присущи свойства дискретных частиц, те. тел, имеющих определенную конечную величину, однако могущих существовать и двигаться только со скоростью света.
В 1901 г. известный немецкий физик Макс Планк предложил теорию, согласно которой в физических явлениях и при взаимодействии атомов вещества энергия выделяется и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями. Такая порция энергии позднее получила название квант Следовательно, поглощение кванта рентгеновского и гамма-излучений различными веществами, а | ^ также испускание света возбужденными атомами например нагретого до высокой температуры вещества, происходит также строго определенными конечными порциями — квантами. Мерой энергии кванта Планк считал величину, получаемую по формуле Е = кч,

где Е —
энергия, эрг v — частота колебаний источника излучения, сек h — некоторая постоянная величина, равная 6,62-10"
27
эрг-сек (см. Планка постоянная Из этого выражения следует, что чем выше частота электромагнитного излучения, тем большую энергию несет с собой каждый квант излучения
Фотоэффект физический процесс, при котором падающие на металлическую поверхность кванты света при достаточной их энергии выбивают из металла электроны.
Подобные порции света позже назвали фотонами, подчеркивая этим корпускулярные свойства света.
КРИТИЧЕСКАЯ МАССА (ЯДЕРНОГО ГОРЮЧЕГО. Хорошо известно, что практически поджечь и заставить гореть маленький кусочек угля невозможно. В тоже время большая куча угля горит преотличным образом. Причина этого, казалось бы, непонятного противоречия заключается в том, что химическая реакция горения топлива, идущая при
500—600° Сможет поддерживать сама себя только в том случае, если выделяющееся при этом тепло в состоянии непрерывно нагревать до такой же температуры и соседние слои топлива. А это возможно лишь тогда, когда приток тепла к зоне горения превышает его потери через поверхность еще холодного угля. И чем меньше кусочек угля, тем относительно больше его поверхность (по отношению к массе, через которую может улетучиваться это тепло. Например, у шара диаметром 20 см отношение поверхности к объему составляет всего 0,3 с л г \ в то время как у шарика диаметром 2 см это же соотношение будет равно З ел, те. в десять раз больше Естественно, что при нагревании малый шарик будет терять в десять раз больше тепла, чем крупный. Потери эти могут быть столь велики, что самоподдерживающейся реакции горения не получится. Нужен какой-то определенный минимальный физический объем топлива, который назовем критическим Для начала саморазвивающейся цепной реакции деления ядер атомов урана или плутония нужно, чтобы какое-то одно самопроизвольно разделившееся ядро атома выбросило, допустим, два нейтрона
а эти нейтроны обязательно попали в соседние ядра атомов делящегося вещества и разделили бы уже по два ядра каждый, а те выбросили четыре нейтрона, которые в свою очередь разделили бы четыре ядра и выбросили восемь новых нейтронов и т. д.
Однако нейтроны могут и не попадать в ядра соседних атомов. Объем 1 г урана равен 0,053 е и содержит 2,56-10 21
атомов. А если сложить ядра этих атомов все вместе, то они займут только
4,1 • 10’"
16
слили одну десятитриллионную долю а f объема горошинки урана. Чтобы представить такой К объем, можно сравнить шарик объемом 1 лгж
3
с " ' объемом высотного здания. При таком соотношении нейтроны будут безнадежно проскакивать мимо цели и вылетать из кусочка урана наружу. Никакой цепной реакции деления ядер урана не получится.
Но если взять слиток урана массой в несколько десятков килограммов, те. сферу диаметром
25—30 см, то вероятность вылета нейтронов, не задевших по пути ядер атомов урана, будет сведена к минимуму.
Можно поступить итак окружить слиток урана веществом, хорошо отражающим нейтроны, — отражателем из графита, тяжелой воды и других веществ, ядра атомов которых по массе сопоставимы с нейтронами. Этот экран будет возвращать нейтроны обратно в слиток урана и тем самым давать им дополнительные шансы наконец-то встретиться с ядром атома урана и разделить его.
Следовательно, для осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы его было не меньше определенного критического количества. Для конкретных условий возникновения саморазвивающейся цепной реакции деления критическая масса может иметь разные значения. Или иначе критическая масса, при которой начинается цепная реакция деления, — это то минимальное количество ядерного горючего, при котором каждое данное поколение нейтронов, осуществив деление определенного количества ядер атомов урана или плутония, вызывает в свою очередь появление следующего поколения, насчитывающего такое же или несколько большее количество нейтронов, те. когда потери нейтронов в нем вследствие утечки или поглощения примесями оказываются полностью восполненными.
КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ НЕЙТРОНОВ. При делении ядра атома урана на два осколка элементы, приходящиеся на середину Периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева) высвобождаются два-три (в среднем 2,1) нейтрона, те. количество делящихся ядер будет удваиваться при каждом новом поколении делений. Но это лишь в идеальном, теоретически возможном случае. Практически же в уране любой степени технической чистоты всегда присутствуют посторонние примеси, поглощающие некоторую часть высвобождающихся при делении нейтронов. Компенсировать эту потерю можно, только сократив до минимума количество нейтронов, вылетающих а пределы рабочей зоны реактора и неуспевающих разделить свою долю ядер урана, или увеличив количество ядерного топлива в реакторе
см. Критическая масса Но если уран очень загрязнен вредными, поглощающими нейтроны примесями, то уже не помогают ни увеличение его количества, ни наличие хорошего отражателя, возвращающего нейтроны обратно в активную зону реактора. Никакой цепной реакции в этом случае не возникает.
Вредными примесями приходится считать и атомы основного тяжелого изотопа природного урана — урана. Их ядра слишком жадно поглощают нейтроны. Поэтому в сплошном слитке природного урана любого объема, состоящего на 99,3% из этого изотопа, цепной реакции деления просто так возбудить нельзя.
Ну а каким путем можно Если каким-то способом нам удалось возбудить в слитке урана реакцию деления, то она будет продолжаться на том же самом уровне (числе делений в единицу времени) при условии, что каждый высвободившийся в процессе такого деления нейтрон обязательно разделит хотя бы по одному ядру атома урана. Ненужно и угадывать, что условная величина — коэффициент размножения нейтронов К те. среднее значение отношения числа вторичных нейтронов, производящих деление ядер атомов урана, к числу первичных нейтронов, — в этом случае будет строго равна единице. Но при любом, пусть даже самом медленном росте числа делений (допустим, когда количество нейтронов, делящих ядра атомов топлива, в каждом последующем поколении превышает хотя бы на миллионную долю число разделившихся ядер предыдущего поколения) коэффициент размножения будет уже превышать единицу.
Опять-таки в идеальном случае он будет равен, как нетрудно догадаться, 2—2,1, те. количеству нейтронов, выброшенных разделившимся ядром урана. В
1 кг урана имеется примерно
2 80
атомов. И даже если цепной процесс в слитке был начат всего одним нейтроном, то все это буквально астрономическое количество атомов разделится за миллионную долю секунды — всего за 80 поколений делений И если цепную реакцию деления искусственно не замедлять (те. не управлять ею, она окончится мгновенным взрывом (атомная бомба. При коэффициенте размножения К < 1 цепная реакция невозможна, а если бы и началась, то неминуемо затухла.
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ. Вслед за открытием в
1895 г. рентгеновского, аза ними ионизирующего излучений ученые задались вопросом нет ли в природе и других, еще неизвестных излучений, проливающих еще больше света на самые сокровенные физические процессы, протекающие в бесконечных глубинах атомов?
Австрийский физик В. Гесс в 1912 г. запустил воздушный шар с регистрационной аппаратурой на высоту 5 км К удивлению всего ученого мира, излучение вверху оказалось намного сильнее, чему поверхности Земли. Дальнейшие многочисленные опыты показали, что новое излучение приходит откуда-то извне, из Космоса. Поэтому по месту предполагаемого зарождения оно было названо космическими лучами Первые же попытки определить природу этих лучей принесли немало неожиданностей и откровений.
Начнем с того, что они оказались не лучами, а частицами — протонами, ядрами атомов гелия — альфа-частицами, и совсем редко ядрами атомов более тяжелых элементов —- углерода, азота, железа и других. Далее выяснилось, что подавляющее большинство этих частиц обладает огромной, а некоторые даже чудовищно огромной энергией, достигающей
миллиарды миллиардов электронвольт, в то время как самые быстрые и проникающие частицы, выбрасываемые при радиоактивном распаде веществ, едва достигают энергии 10 Мэв. Космические частицы удавалось зарегистрировать даже на глубине нескольких километров под землей или под водой Наконец, что самое важное, удалось установить, что подлинно космических частиц в этом достигающем Земли потоке почти нет. Подавляющая масса лучей — это бесчисленные осколки микроскопических катастроф — ядер атомов воздуха, разрушенных при попадании в них первичных, настоящих космических частиц, обладающих столь огромной энергией, что эти осколки сами превращаются в частицы почти такой же космической энергии, способные с неменьшей легкостью разбивать ядра атомов воздуха. Даже осколки осколков, к тому же еще и нескольких поколений разбитых до основания ядер атомов, способны разбивать свои порции атомов, создавая нарастающую, как снежный ком, лавину — своеобразную цепную реакцию ядерных катастроф. И не только осколков. Выделяющиеся входе таких столкновений огромные количества энергии порождают целые семейства новых, несуществующих в обычных условиях короткоживущих частиц, которые, распадаясь, тут же порождают новые частицы самых разнообразных физических свойств и характеристик. Природа как бы создает на миллиардные доли секунд свои собственные искусственные частицы, невольно приподнимая завесу над сокровеннейшими тайнами материи (см. Элементарные частицы).
КАДМИЙ — химический элемент с атомным номером
48 II группы периодической системы с атомной массой 112,40. Природный кадмий состоит из смеси 8 изотопов с атомными массами от 108 до 116. Обладает исключительно большой
способностью захватывать тепловые (медленные) нейтроны кадмий, что позволяет применять его для изготовления или покрытия регулирующих и аварийных стержней в ядер- пых реакторах. Несмотря на большую поглощающую способность, для защиты от нейтронов не применяется, так каких поглощение кадмием сопровождается испусканием проникающего гамма-излучения. Большое количество радиоактивных изотопов кадмия получается в виде продуктов деления урана, а также при облучении в ядерных реакто рах.
Я-МЕЗОНЫ — сильновзаимодействующие с атомными ядрами, неустойчивые, короткоживущие заряженные иней тральные элементарные частицы, масса которых равна 966,5 и 974 электронным массам. Рождаются при столкновении пи-мезонов или нуклонов большой энергии (свыше миллиарда электронвольт) с нуклонами.
Заряженные Я-мезоны (Я
+
и Я) обладают электрическим зарядом, равным по величине положительному или отрицательному элементарному электрическому заряду Время жизни заряженных Я-мезонов 1,23 сек Известны две разновидности нейтрального Я-мезона: Я со временем распада 0,92 ЦО"
10
сек
и ffj со временем распада 5,62 «Ю'
8
сек.
Распадаются Я-мезоны разными путями с образованием пи- или мю-мезонов, электронов или позитронов, а также нейтронов. При поглощении Я-мезонов нуклонами образуются сигма-гипероны (см. Элементарные частицы, Странные
частицы).
КАМЕРЫ РЕГИСТРАЦИОННЫЕ. Так называют целый класс приборов и установок, которые наряду со счетчиками частиц и толстослойными фотографическими пластинками являются основными средствами наблюдения и регистрации ядерных реакций, превращений элементарных частиц при их взаимодействиях друг с другом, изучения этих превращений и реакций не только с качественной, но и с количественной стороны Вот главные из богатого арсенала подобных устройств камера Вильсона, в которой пролетающая заряженная частица оставляет за собой видимый след из сконденсированного перенасыщенного пара пузырьковые камеры, основанные на свойстве перегретой жидкости вскипать при прохождении через нее заряженной частицы, также оставляя видимый след в виде мельчайших пузырьков пара искровые камеры, в которых появление частицы сопровождается возникновением микроскопического электрического разряда, и многие другие
КАМЕРА ВИЛЬСОНА. Успехи в конструировании счетчиков заряженных частиц поставили перед учеными такую задачу попытаться каким-либо способом увидеть частицы, составляющие атом, несмотря на то, что они в миллиарды раз меньше самых маленьких тел, которые можно разглядеть в самые мощные оптические микроскопы?
Обычно, когда что-либо плохо видно или что-то мешает видеть, говорят, что все как в тумане или все затуманилось. Однако в некоторых случаях, по крайней мере в области физики, туман позволяет невидимое превращать в видимое. Это несколько неожиданное обстоятельство связано с вопросами почему и каким образом на ясном небе собираются облака и тучи, почему выпадает дождь?
В воздухе, каким бы он ни был сухими прозрачным, всегда содержится некоторое количество влаги, непрерывно испаряемой морями, озерами, реками, растениями и почвой. Эти водяные пары незаметны, так как отдельные молекулы пара распределены в воздухе равномерно и не изменяют его однородности, как невидны растворенные вводе молекулы соли.
Однако если атмосферное давление по каким-либо причинам понижается, то содержащийся в воздухе пар становится пересыщенным. Вот тогда отдельные молекулы влаги соединяются сначала в мелкие капельки, образующие пари облака, а затем в более крупные капли, которые выпадают в виде дождя.
Но влага может собираться в капли только в том случае, если в воздухе содержатся в достаточном количестве мелкие пылинки, особенно если они несут электрические заряды.
Они-то и являются центрами конденсации влаги. Иначе молекулы пара не могут соединяться в капли даже при большом избытке влаги в атмосфере.
В 1912 г. английский физик Чарльз Вильсон, много работавший до этого над вопросами происхождения дождей и туманов, предложил очень остроумный и удивительно простой способ видеть заряженные частицы. Для этого лишь необходимо в наполненной перенасыщенным паром камере вызвать нечто вроде искусственного тумана. Пролетающие сквозь камеру заряженные частицы ионизируют молекулы пара, и образующиеся в результате этого ионы служат центрами конденсации водяного пара. Из капелек жидкости получаются цепочки (треки).
Камера состоит из стеклянного цилиндра с подвижным поршнем, заменяющим дно, и заполнена парами испаряющейся жидкости, например спирта. Если очень быстро опустить поршень, то давление, а следовательно, и температура пара в камере резко понизятся, вследствие чего в ней образуется избыток влаги, те. переохлажденный и перенасыщенный пар. Так как впускаемые внутрь камеры пары тщательно очищены от пыли и других взвешенных частиц, то молекулам влаги не на чем собираться и никакого тумана внутри камеры не появится.
Однако если в этот критический момент сквозь камеру пролетит какая-либо заряженная частица, даже очень быстрая, тона своем пути она, как обычно, будет непрерывно разбивать молекулу пара на ионы, те. порождать заряженные частицы, которые тут же станут центрами конденсации пара. След частицы мгновенно покроется великим множеством капелек влаги, мгновенно осевших на ионах, и станут видны более или менее четкие и тонкие линии треков, распад которых на отдельные капельки можно заметить только под сильным микроскопом. Особенно хорошо эти следы видны, если их сильно осветить, а внутри камеру и поршень покрыть черной матовой краской. Если одновременно опустить поршень и осветить камеру яркой вспышкой света, следы пролетевших частиц можно легко фотографировать. Камера Вильсона позволяет не только видеть следы пролетающих частиц, но и определять некоторые качественные характеристики этих частиц. Например, по толщине и чистоте следа можно узнать, медленно или быстро летит заряженная частица чем медленнее она летит, тем больше молекул газа она успевает ионизировать на каждом сантиметре своего пути. Измеряя ширину или плотность следов, можно довольно точно определить и скорость исследуемых неизвестных частиц. По числу капелек в следе, если он кончается в пределах камеры, можно найти полное число пар ионов, образованных пролетевшей исследуемой заряженной частицей. А зная энергию, необходимую для образования одной пары ионов, можно вычислить и полную энергию, которую имела частица в момент ее появления в камере.
Позднее камера Вильсона была значительно усовершенствована. Особенно ценный вклад в ее конструкцию внесли советские физики ПЛ. Капица и Д. В. Скобельцын, предложившие в 1927 г. помещать камеру в сильное магнитное поле. Взаимодействуя с заряженными частицами, магнитное поле заставляет их искривлять свой путь, благодаря чему можно, во-первых, определить заряд частицы — положительно или отрицательно она заряжена, во-вторых, еще одним способом определить энергию частицы, так как чем быстрее она движется или чем больше ее масса, тем меньше изгибается ее путь в магнитном поле. И наконец, что самое главное, можно исследовать все явления, наблюдаемые при столкновении этих частиц с атомами паров, заполняющих камеру, или атомами мишеней из различных веществ, устанавливаемых на пути движения частиц. В этих случаях можно изучать поведение даже частиц, не несущих электрического заряда, — последам разлетающихся в результате таких столкновений заряженных частиц.
КАРОТАЖ РАДИОИЗОТОПНЫЙ (геофизическое иссле- В / дование буровых скважин. Одним из самых надежных средств 1< исследований геологического строения земной коры, а также ■ < поисков полезных ископаемых является бурение со взятием проб пород с различных глубин. Когда появились особо чувствительные приемники для улавливания предельно слабых гамма-излучений, геологи получили новое, исключительно точное, гибкое и удобное средство геофизического исследования геологических разрезов буровых скважин для поисков и разведки месторождений радиоактивных руд и води многих других полезных ископаемых, в частности нефти.
Суть его такова. Известно, что почти все породы земной коры содержат ничтожно малые, но разные количества радиоактивных веществ. Опустив в скважину прибор, который улавливает гамма-излучение, испускаемое различными слоями породи легко проходящее сквозь обсадные трубы, и записав его энергию и продолжительность, можно, сравнивая эту запись с заранее измеренными образцами пород, составить исключительно точный геологический разрез скважины любой глубины.
Однако нефтяные и водоносные пласты гамма-излучения не испускают, и о его наличии часто приходится только гадать. Поэтому пассивный метод исследования можно заменить активным. Для этого в скважину опускают довольно сильный источник нейтронов
( нейтронный каротаж. В результате интенсивного обстрела нейтронами атомы элементов, из которых состоят минералы горных пород, становятся радиоактивными и начинают испускать — одни больше, другие меньше — гамма-кванты.
Установленный на некотором расстоянии от источника нейтронов приемник гамма-излучений улавливает и измеряет уже неестественную, а искусственную радиоактивность горных пород.
Аналогичные методы могут быть применены и во многих других областях геофизических исследований.
КВАРКИ. Обилие элементарных частиц, открываемых по мере ввода в действие ускорителей частиц все больших и больших мощностей, сначала только радовало ученых. Когда же количество относительно устойчивых и более или менее достаточно изученных частиц перевалило затри десятка, а короткоживущих частиц со временем жизни порядка ю- 2 сек —
за двести, в умах озадаченных ученых возникли сомнения не состоят ли все эти частицы, ив первую очередь короткоживущие резонансы, из небольшого числа
(2—3) еще более мелких — субэлементарных частиц, отличающихся только тем, что они находятся в каком-то особом, сверх возбужденном или ином состоянии К такому выводу, в частности, пришел известный американский физик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Ман, предложивший гипотезу о том, что все или по крайней мере большинство из открытых субатомных частиц могут быть скомбинированы всего из трех еще более простых частиц. Это позволяет не только расположить все уже известные и предсказываемые теорией частицы в логически стройную и свободную от противоречий и неожиданностей систему, но и вывести теорию элементарных частиц из тупика. Эти три частицы Гелл-Ман шутливо назвал кварками. Самое удивительное в кварках то, что они должны иметь дробный электрический заряд в отличие от элементарного заряда электрона (—1) или протона (+1) и их производных, кратных этим зарядам. Несмотря на всю теоретическую заманчивость этой, весьма убедительной, стройной и привлекательной гипотезы, обнаружить кварки пока еще не удалось нив одной из ведущих лабораторий мира. В частности, это обосновывается тем, что каждый кварк должен обладать огромной и трудно вообразимой для элементарных частиц массой — в десять раз большей, чем масса протона, и чтобы осуществить реакцию, способную породить
эту частицу из трех кварков (30 протонных масс, нужны новые ускорители частиц с энергией порядка многих тысяч миллиардов электронвольт.
КЕЛЬВИНА ШКАЛА (шкала абсолютных температур Кельвина — К. Вместо температурной шкалы Цельсия (°C), принятой в европейских странах, и
Фаренгейта (°F) — в Англии и США, при научных исследованиях применяется как более предпочтительная так называемая шкала абсолютных температур (К, предложенная английским физиком У Томсоном (лорд Кельвин).
В этой шкале за нуль отсчета принята самая низкая, какая только возможна в природе, температура, соответствующая такому теоретическому состоянию вещества, при котором полностью прекращается движение его молекул. Это значение было получено после изучения свойств газов, находящихся при нулевом давлении. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура —273,16°. Значение градуса по абсолютной шкале температур такое же, как и по шкале Цельсия, те. равно 1/100 интервала между точкой таяния льда (273,16° Кили Си точкой кипения воды при нормальных атмосферных условиях (373,16° Кили С).
КОБАЛЬТ — тугоплавкий металл, нашедший широкое применение в металлургии для получения жаропрочных и магнитных сталей и сплавов, а также ив других отраслях Д промышленности. Это один из немногих химических элементов, имеющий всего лишь один природный изотоп, ядро кож торого состоит из 27 протонов и 32 нейтронов (|?Со).
Кобальт, облученный потоком нейтронов в ядерном реакторе, превращается в искусственный радиоактивный изотоп кобальт (Со) с периодом полураспада 5,25 года, который испускает гамма-кванты с энергией 1,33 и 1,17 Мэв и относительно слабые бета-частицы с энергией
0,31 эв.
В технике кобальт применяют для просвечивания толстых слитков металлов и изделий в химии — для облучения и получения искусственных пластических масс с новыми свойствами в медицине — для лечения самого страшного недуга человечества — рака и для стерилизации лекарств и медицинской аппаратуры в сельском хозяйстве — для борьбы с прорастанием картофеля, для уничтожения вредителей, для стимуляции роста растений.
КОБАЛЬТОВАЯ ПУШКА. Чтобы задержать гамма-из­
лучение, испускаемое радиоактивным кобальтом (с энергией и 1,33 Мэв), сделать его безопасным для окружающих ив тоже время иметь возможность использовать излучение в научных, лечебных и технических целях, этот элемент приходится хранить в свинцовых или стальных контейнерах. Такой контейнер вместе с контрольными механизмами, органами управления и устройствами для формирования узкого пучка гамма-квантов назвали кобальтовой пуш­
кой.
КОЛЛЕКТИВНОЕ УСКОРЕНИЕ ЧАСТИЦ КОЛЬ-
ЦЕТРОН»). Во всех до сих пор существующих и проектируемых ускорителях заряженные частицы разгоняются внешними электрическими или магнитными полями. Существенное увеличение энергии этих внешних полей связано, как правило, с резким ростом размеров и стоимости ускорителей. Длина орбиты Серпуховского ускорителя на 70 млрд, эв равна 1,5 км а в ускорителе на 1000 млрд, эв длина пробега частиц увеличилась бы до 20 км Поэтому нет ничего удивительного в том, что ученые упорно ищут новые пути и способы ускорения частиц ив частности, один из таких способов — ускорители на встречных пучках.
Еще в 1956 г. академик В. И. Векслер предложил тонко подмеченный им новый, в то время казавшийся фантастическими нереальным, метод. Когда быстрая, обладающая огромным запасом кинетической энергии частица космического излучения врывается в атмосферу Земли и сталкивается с какой-либо частицей воздуха, она передает этой частице всю или часть своей энергии, а сама или останавливается или замедляется. Но можно этот процесс рассматривать и по
другому. Если привести в движение окружающую неподвижную частицу среду, то она увлечет с собой и частицу, и та в конце концов приобретет скорость среды.
В свое время это явление на примере эффекта Вавилова —
Черенкова объяснили рассчитал академик И. Е. Тамм. Ну а какую среду (также состоящую из каких-то частиц) выбрать, чтобы, с одной стороны, разогнать ее до предельно возможной скорости, ас другой, чтобы она смогла увлечь за собой достаточно тяжелую заряженную частицу. Естественно, выбор мог остановиться на потоке электронов, легче всего разгоняемых до самой близкой к световой скорости, а в качество обдуваемых частиц — сгусток положительно заряженных ионов, например протонов.
Этот удивительный по замыслу способ ускорения обладает тем преимуществом, что тяжелые частицы ускоряются не внешним электрическим полем, а полем, образующимся внутри между коллективами заряженных частиц — среды и собственно ускоряемыми частицами. Эти поляне нужно создавать искусственно, ненужно настраивать и корректировать. Они возникают сами при взаимодействии частиц именно там, где нужно и как нужно.
Но от идеи даже, казалось бы, гениально простой, до ее реализации дистанция долгая. Начатую в 1963 г. в Дубне работу по созданию нового ускорителя после смерти академика В. И. Векслера продолжил его ученик В. П. Саранцев. Ускоритель должен состоять из источника разгоняемых электронов, устройства, формирующего их сгусток, содержащий увлекаемые внутрь тяжелые частицы, и системы, ускоряющей весь сгусток. Положительно заряженные ионы оказываются как бы запертыми коллективным отрицательным зарядом 113
электронов, поэтому этОт метод ускорения и называется коллективным Если теперь этот комбинированный сгусток ускорить как целое, то за счет скорости, приобретенной огромным количеством электронов, запертые внутри сгустка ионы, например протоны, ускоренные до скорости сгустка электронов, получают враз большую энергию
Сгусток (импульс) электронов, длящийся около 10
-1 2
сек ускоряется небольшим внешним электрическим полем, а тяжелые ионы в соотношении примерно 1:100 увлекаются этим сгустком, как барашки, бегущие по ветру на гребне морских волн.
Система действует в том случае, если количество электронов в сгустке довольно велико — 10 13
— 10 1 4
, что примерно соответствует напряжению в 10 млн в) см — враз больше, чем в обычном ускорителе. Приблизительно 2/3 затрачиваемой на ускорение энергии падает на долю электронов. 1/3 приходится на долю ионов.
А как все-таки удается удержать частицы на своих местах в сгустке, предотвратить их смешивание?
При очень больших скоростях параллельно летящих электронов взаимодействуют не только их электрические поля, но и магнитные А это означает, что они не только отталкиваются друг от друга как одноименные заряды, но ив значительной степени притягиваются друг к другу
Для пучка с энергией электронов в 5 Мае силы расталкивания ослабляются враз. И если в такой пучок добавить
1% ионов, то силы расталкивания будут полностью скомпенсированы, что и используется при формировании сгустка в виде вращающегося по всей длине окружности кольца диаметром примерно до 4—10 см что послужило поводом американцам шутливо назвать такой ускоритель «смоко- троном, те. генератором колец сигаретного дыма.
Длина линейного коллективного ускорителя ионов на энергию 1000 млрд ав будет не больше 1,5 кл Кольцевой синхрофазотрон на эту же энергию имел бы диаметр около 5 км.
КРИПТОН — химический элемент (инертный газ) VIII группы Периодической системы элементов с атомным номером 36 и атомной массой Природный газ состоит из смеси 6 изотонов с атомной массой от 73 до 86 Еще большее количество, но только радиоактивных изотопов криптона может быть получено искусственным путем, так как ядра атомов криптона составляют значительную часть осколков, на которые распадаются ядра атомов делящихся веществ прицепной реакции деления в ядерном реакторе (см. Продукты деления урана
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СЧЕТЧИКИ ЧАСТИЦ — счетчики ионизирующих излучений, в которых используют свойство некоторых кристаллов изменять проводимость электрического тока при прохождении через них быстрых ионизирующих заряженных частиц и гамма-излучения (алмаз, хлористое серебро, хлористый таллий и пр.).
КСЕНОН (в пр. с греч. чужой) — химический элемент с атомным номером 54 VIII группы периодической системы элементов. Очень редкий тяжелый инертный газ. В 1 воздуха содержится всего лишь 0,08 мл ксенона. Природный газ состоит из смеси 9 изотопов (см Изотопы с атомными массами от 124 до 136 При делении в ядерном реакторе урана в числе более чем 200 изотопов различных химических элементов образуется и 10 радиоактивных изотопов ксенона с атомными массами от 131 до 145, составляющих до 19% общей суммы осколков.
Когда в 1943 г. в США был пущен в эксплуатацию первый промышленный ядерный реактор, было обнаружено, что, спустя сравнительно непродолжительное время, мощность реактора неожиданно начинала падать, и чтобы подстегнуть ценную реакцию, приходилось раньше положенного времени постепенно выводить из пего регулирующие стержни. Наконец, даже при полностью выведенных стержнях, реактор останавливался.
Спустя сутки или двое реактор также необъяснимо начинал работать, а затем останавливался снова. Так могло повторяться несколько рази, чтобы запустить его в работу, приходилось загружать в реактор дополнительные порции урана.
Оказалось, что два радиоактивных изотопа — ксенона особенно ксенон, составляющие около 0,5% осколков урана, являются сильнейшими поглотителями тепловых нейтронов, и накопление их изотопов в продуктах деления постепенно отравляет реактор, вызывая необходимость смены тепловыделяющих элементов задолго до выгорания в них урана-235.
В природе ксенон образуется в результате самопроизвольного распада содержащихся в минералах изотонов урана и урана. На этом, в частности, основан один из методов определения возраста горных пород. Зная период полураспада урана (1,9-10 17
года) и урана
(0,8-10 в года, можно, определив соотношение количества образовавшегося в томили ином минерале ксенона к оставшемуся количеству урана, вычислить абсолютный возраст данного минерала

КСИ-ГИПЕРОН
(S) — тяжелая короткоживущая элементарная частица. Известны два вида частицы нейтральный кси-гиперон с массой, равной примерно 2656 массам электрона, и временем жизни 3,06-1 0 'секи отрицательный кси-гиперон с массой около 2580 электронных масс и временем жизни 1,74-10
—10
сек.
КЮРИ — единица измерения естественной или искусственной радиоактивности — количество любого радиоактивного вещества, претерпевающее 37 млрд, актов распада все кунду (радиоактивность 1 г радия. В повседневной практике применяют более мелкие единицы милликюри (1 м кюри кюри микрокюри
(1 м к кюри
кю ри)
Масса того или иного вещества, обладающего радиоак тивпостыо, равной одному кюри, зависит от периода его полураспада. Например, один кюри стронция весит менее
1/100 г в то время как один кюри природного урана — больше тонны.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

перейти в каталог файлов


связь с админом