Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Чтобы удержать электрон в ядре, глубина потенциальной ямы должна превышать AK, т. е. АЛ -< —20 МэВ. Но электрические силы на расстоянии Ar = 10~14 м дают абсолютную величину П, во много раз меньшую. Итак, если электроны находятся внутри ядра, то не очень понятно, что их там удерживает. Тем не менее протонно-электрон-ная гипотеза существовала довольно долго, пока в знаменательном 1932 г. Чедвик, ученик и сотрудник Резерфорда, не открыл нейтрон — нейтральную частицу с массой, близкой к массе протона. Почти сразу же и почти одновременно физики из разных стран — из Советского Союза Д. Д. Иваненко, из Италии — Э. Майорана, из Германии— В. Гайзенберг — пришли к выводу, что кирпичики, из которых складываются атомные ядра,— это протоны и нейтроны. Связаны они не известными еще силами. С этого момента и ведет свое начало наука, называемая ядерной физикой.
Познакомимся теперь подробнее с нейтроном. Вот его «паспорт».
Электрический заряд равен нулю. Масса — 939,54 МэВ *) (или 1,6749-10~27 кг), что на 1,3 МэВ больше массы протона (разница около десятой процента). Спин — 1U Н. Нейтрон — ферми-частица. То, что свободный нейтрон тяжелее протона, делает его нестабильным (см. рис. 6), а вот в ядрах он может не распадаться. Все дело в том, что внутри ядра протоны и нейтроны связаны новым видом сил — ядерными, сильным взаимодействием. Эксперименты показали, что зти силы действуют, не различая протоны и нейтроны. Для ядерных сил эти частицы одинаковы, н когда хотят это подчеркнуть, то оба сорта частиц называют просто нуклонами. Силы эти разительно отличаются от электромагнитных. Прежде всего они короткодействующие, нуклоны не чувствуют друг друга, пока не сблизятся до расстояний 10~14 -=-10"16 м. Затем «щелк» —
*) Под массой элементарных частиц часто подразумевают анергию покоя т0с24 другими словами, измеряют массу в единицах энергии.
64
я включается ядерное поле, которое в 100 раз интенсивнее электромагнитного, и сжимает вещество до плотности 250 млн т в 1 см3. Эти силы и делают нейтроны в ядре легче, чем в свободном состоянии. Вспомним вторую главу, в которой говорилось, что масса покоя взаимодействующих частиц меньше, чем арифметическая сумма их масс. Разница идет на энергию связи частиц между собой. Для элементов средней части периодической таблицы связанный в ядре нейтрон имеет массу не 939 МэВ, а на 6 8 МэВ меньше. Тогда его распад разрешен далеко не всегда. Мы еще вернемся к вопросу о превращениях нуклонов внутри ядра и о бета-распаде, а сейчас в нескольких словах расскажем о ядрах.
Из-за огромности ядерных сил кулоновское отталкивание между протонами не разрушает ядер вплоть до больших значений заряда Z (Z — число протонов в ядре — атомный номер), но естественно сказывается на их строении: в легких стабильных ядрах протонов и нейтронов приблизительно поровну, Z = N, в тяжелых N = l,6Z. Полезно будет запомнить несколько терминов, связанных с соотношением нейтронов и протонов. Так, ядра с одинаковым полным числом нуклонов А = Z -j2- N (А — массовое число) называются изобарами; с одинаковым зарядом Z (ядра одного химического элемента), но с разным числом нейтронов — изотопами, с разным Z, но одинаковым N — изотопами. Для элементов приняты следующие обозначения: ? (символ элемента). Например, *Не, \Ве, 5С1, ^87Ar и т. п.
Стабильных ядер меньше, чем нестабильных. Первых в настоящее вре:ля известно около 350, а нестабильных — более тысячи. Огромное большинство их получают на ускорителях и реакторах, это — искусственные радиоактивные изотопы, в отличие от естественных — урана, радия, тория и т. п.
Еще до открытия нейтрона Резерфорд предсказал, что если будет обнаружена нейтральная частица, то она станет прекрасным инструментом для исследования атомного ядра. До 1932 г. физики чаще всего пользовались одним видом снарядов — для обстрела ядер — альфа-частпцами. Теперь они могли бомбардировать матерью нейтронами. Хотя интенсивность первых источников ней-троноз была мала, но свойства новой частицы искупали этот недостаток. Отсутствие заряда позволяет нейтрону
3 А. А. Боровой
65
сблизиться с ядром и проникнуть внутрь него гораздо легче, чем положительно заряженной альфа-частице или протону. Нейтроны очень слабо взаимодействуют с электронами среды и длина их пробега в веществе несравненно больше, чем у заряженных частиц той же энергии.
Экспериментаторы стали теперь «обстреливать» ядра нейтронами и больших успехов на этом пути добились итальянские физики.
6.2. Открытие Ферми
Несколько лет назад, в одном из московских институтов проходила олимпиада для старших школьников. Среди прочих была предложена и такая задача.
«Нейтронный источник облучает пластинку из серебра и затем ее активность определяется счетчиком. Если на пути между источником и пластинкой поместить кусок парафина, активность серебра значительно увеличивается. Объясните это явление».
Не знаю, ответил ли кто-нибудь правильно на этот вопрос, но он продемонстрировал очень высокое мнение организаторов олимпиады о наших учащихся. Потому что человек, объяснивший такое возрастание активности, в 1938 г. получил за это (и ряд других исследований) Нобелевскую премию. Это итальянский физик Энрико Ферми, уже упоминавшийся на страницах нашей книги.
