WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 |

«ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Т. И. ТРОФИМОВА КУРС ФИЗИКИ 11-е издание, стереотипное УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 Т761 Рецензент — профессор кафедры физики им. А. М. Фабриканта Московского ...»

-- [ Страница 10 ] --

зависимость между периодом полурас пада и энергией вылетающих час- Объяснение а-распада дано кванто тиц. Эта взаимосвязь определяется эм- вой механикой, согласно которой вылет пирическим законом Гейгера — а-частицы из ядра возможен благода ла который обычно выражают ря туннельному эффекту (см. § 221) — в виде зависимости между пробегом проникновению а-частицы сквозь по (расстоянием, проходимым частицей в тенциальный барьер. Всегда имеется веществе до ее полной остановки) а- отличная от нуля вероятность того, что частиц в воздухе и постоянной радио- частица с энергией, меньшей высоты активного распада \:

потенциального барьера, пройдет сквозь него, т.е., действительно, из а-радио (257.1) активного ядра а-частицы могут выле тать с энергией, меньшей высоты потен Д.Нэттол (1890-1958) - английский фи циального барьера. Этот эффект цели зик;

Х.Гейгер (1882—1945) — немецкий физик.

ком обусловлен волновой природой связано с выбросом электрона. При шлось преодолеть целый ряд трудно Вероятность прохождения стей с трактовкой цы сквозь потенциальный барьер опре- Во-первых, необходимо было обо деляется его формой и вычисляется на сновать происхождение электронов, основе уравнения Шредингера. В про- выбрасываемых в процессе стейшем случае потенциального барь- строение ядра ера с прямоугольными вертикальными исключает возможность вылета элект стенками (см. рис. коэффициент рона из ядра, поскольку в ядре элект прозрачности, определяющий вероят- ронов нет. Предположение же, что элек ность прохождения сквозь потенциаль- троны вылетают не из ядра, а из элект ный барьер, рассчитывается по рассмот- ронной оболочки, несостоятельно, по ренной ранее формуле (221.7): скольку тогда должно было бы наблю даться оптическое или рентгеновское излучение, что не подтверждают экспе рименты.

Во-вторых, необходимо было объяс Анализируя это выражение, видим, нить непрерывность энергетического что коэффициент прозрачности D тем спектра испускаемых электронов (ти больше (следовательно, тем меньше пичная для всех изотопов кривая распре период полураспада), чем меньший по деления (3~-частиц по энергиям приведе высоте (U) и ширине барьер нахо на на рис. 346). Каким же образом дится на пути Кроме того, тивные ядра, обладающие до и после рас при одной и той же потенциальной кри пада вполне определенными энергиями, вой барьер на пути частицы тем мень могут выбрасывать электроны со значе ше, чем больше ее энергия Е. Таким об ниями энергии от нуля до некоторого разом качественно подтверждается за максимального Означает ли это, кон [см. (257.1)].

что энергетический спектр испускаемых электронов является непрерывным?

Гипотеза о том, что при § 258. Нейтрино электроны покидают ядро со строго оп ределенными энергиями, но в резуль Явление (в дальнейшем тате каких-то вторичных взаимодей будет показано, что существует и ствий теряют ту или иную долю своей пад) подчиняется правилу смещения энергии, так что их первоначальный (256.5) дискретный спектр превращается в не прерывный, была опровергнута прямы ми калориметрическими опытами. Так как максимальная энергия опреде ляется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при кото рых энергия электрона Е < как протекают с нарушением закона сохра нения энергии. Н.Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения трино, — слабое взаимодействие. Поэто энергии носит характер му прямое наблюдение нейтрино весь и выполняется лишь в среднем ма затруднительно. Ионизирующая спо большого числа элементарных процес собность нейтрино столь мала, что один сов. Отсюда видно, насколько принци акт ионизации в воздухе приходится на пиально важно было разрешить это зат 500 км пути. Проникающая же способ руднение.

ность нейтрино столь огромна (пробег В-третьих, необходимо было разоб нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце со раться с несохранением спина в ставляет примерно 1018 м!), что за паде. При (3"-распаде число нуклонов в трудняет удержание этих частиц в при ядре не изменяется (так как сохраняет борах.

ся массовое число А), поэтому не дол Для экспериментального выявления жен изменяться и спин ядра, который нейтрино (антинейтрино) применялся равен целому числу при четном А и поэтому косвенный метод, основанный полуцелому при нечетном А. Однако на том, что в реакциях (в том числе с выброс электрона, имеющего спин участием нейтрино) выполняется закон должен изменить спин ядра на сохранения импульса. Таким образом, нейтрино было обнаружено при изуче нии отдачи атомных ядер при Последние два затруднения приве де. Если при ядра вместе с ли В. Паули к гипотезе (1931) о том, что электроном выбрасывается и антиней при вместе с электроном ис трино, то векторная сумма трех импуль пускается еще одна нейтральная части сов — ядра отдачи, электрона и антиней ца — нейтрино. Нейтрино имеет нуле трино — должна быть равна нулю. Это вой заряд, спин (в единицах ну действительно подтвердилось на опы левую (а скорее массу: обозна те. Непосредственное обнаружение чается Впоследствии оказалось, нейтрино стало возможным лишь зна что при испускается не ней чительно позднее, после появления трино, а антинейтрино (античастица мощных реакторов, позволяющих по по отношению к нейтрино;

обознача лучать интенсивные потоки нейтрино.

ется Гипотеза о существовании нейтри- Введение нейтрино (антинейтрино) но позволила Э. Ферми создать теорию позволило не только объяснить кажу (1934), которая в основном щееся несохранение спина, но и разоб сохранила свое значение и в настоящее раться с вопросом непрерывности энер время, хотя экспериментально суще- гетического спектра выбрасываемых ствование нейтрино было доказано бо- электронов. Сплошной спектр лее чем через 20 лет (1956). Столь дли- тиц обусловлен распределением энер тельные «поиски» нейтрино сопряже- гии между электронами и антинейтри ны с большими трудностями, обуслов- но, причем сумма энергий обеих частиц ленными отсутствием у нейтрино элек- равна В одних актах распада боль трического заряда и массы. шую энергию получает антинейтрино, в других — электрон;

в граничной точ Нейтрино — единственная частица, ке кривой на рис. 346, где энергия элек не участвующая ни в сильных, ни в трона равна вся энергия распада электромагнитных взаимодействиях;

уносится электроном, а энергия анти единственный вид взаимодействий, в котором может принимать участие ней- нейтрино равна нулю.

Наконец, рассмотрим вопрос о про а верхняя граница энергии электронов исхождении электронов при -распа оказалась рассчитанной де. Поскольку электрон не вылетает из выше (0,782 МэВ).

ядра и не вырывается из оболочки ато ма, было сделано предположение, что рождается в результате § 259. Гамма-излучение процессов, происходящих внутри ядра.

и его свойства Так как при число нуклонов в ядре не изменяется, a Z увеличивает- Экспериментально установлено, что ся на единицу [см. (256.5)], то един (см. § 255) не является са ственной возможностью одновремен- мостоятельным видом радиоактивнос ного осуществления этих условий яв- ти, а только сопровождает а- и ляется превращение одного из нейтро- ды и также возникает при ядерных ре нов ядра в протон с одно- акциях, при торможении заряженных временным образованием электрона и частиц, их распаде и т.д. яв вылетом антинейтрино:

ляется линейчатым. — это распределение числа по энер (258.1) гиям (такое же толкование дано в § 258). Дискретность В этом процессе выполняются зако имеет принципиальное значение, так ны сохранения зарядовых чисел, им как является доказательством дискрет пульса и массовых чисел. Кроме того, ности энергетических состояний атом данное превращение энергетически ных ядер.

возможно, так как масса нейтрона пре вышает массу атома водорода, т. е. про- В настоящее время твердо установ тона и электрона вместе взятых. Дан- лено, что испускается до ной разности в массах соответствует черним (а не материнским) ядром. До энергия, равная 0,782 МэВ. За счет этой чернее ядро в момент своего образова энергии может происходить самопроиз- ния, оказываясь возбужденным, за вре вольное превращение нейтрона в про- мя примерно 10~ с, значитель тон;

энергия распределяется между но меньшее времени жизни возбужден электроном и антинейтрино. ного атома (примерно с), перехо Если превращение нейтрона в про- дит в основное состояние с испускани ем Возвращаясь в основ тон энергетически выгодно и вообще ное состояние, возбужденное ядро мо возможно, то должен наблюдаться диоактивный распад свободных нейтро- жет пройти через ряд промежуточных нов (т.е. нейтронов вне ядра). Обнару- состояний, поэтому одно жение этого явления было бы подтвер- го и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп ждением изложенной теории отличающихся одна от дру да. Действительно, в 1950 г. в потоках своей энергией.

нейтронов большой интенсивности, возникающих в ядерных реакторах, был При А Z ядра не из обнаружен радиоактивный распад сво- меняются, поэтому оно не описывает бодных нейтронов, происходящий по ся никакими правилами смещения.

схеме (258.1). Энергетический спектр большинства ядер являет возникающих при этом электронов со- ся столь коротковолновым, что его вол ответствовал приведенному на рис. 346, новые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступа- сквозь вещество они либо поглощают ют корпускулярные свойства, поэтому ся, либо рассеиваются им. не рассматривают как поток несут электрического заряда и тем са частиц — При радиоактив- мым не испытывают влияния кулонов ных распадах различных ядер ских сил. При прохождении пучка ты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ. сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкно Ядро, находящееся в возбужденном вений ослабляется интенсивность, из состоянии, может перейти в основное менение которой описывается экспо состояние не только при испускании ненциальным законом /— но и при непосредственной интенсивности на входе и передаче энергии возбуждения (без выходе слоя поглощающего вещества предварительного испускания толщиной — коэффициент погло та) одному из электронов того же ато щения). Так как — самое ма. При этом испускается так называе проникающее излучение, то для мно мый электрон конверсии. Само явле гих веществ — очень малая величина;

ние называется внутренней конверси зависит от свойств вещества и энер ей. Внутренняя конверсия — процесс, гии конкурирующий с Электронам конверсии соответству- проходя сквозь вещество, ют дискретные значения энергии, зави- могут взаимодействовать с элект сящей от работы выхода электрона из ронной оболочкой атомов вещества, так оболочки, из которой электрон выры- и с их ядрами. В электроди вается, и от энергии Е, отдаваемой яд- намике доказывается, что основными ром при переходе из возбужденного со- процессами, сопровождающими про стояния в основное. Если вся энергия хождение сквозь вещество, Е выделяется в виде то часто- являются фотоэффект, та излучения v определяется извест- фект рассеяние) и об ного соотношения Е = hv. Если же ис- разование электронно пускаются электроны внутренней кон- пар.

версии, то их энергии равны Е — Е — Фотоэффект, или фотоэлектри — где — работа выхода ческое поглощение — это электрона из К-,...

процесс, при котором атом поглощает Моноэнергетичность электронов и испускает электрон. Так как конверсии позволяет отличить их от электрон выбивается из одной из внут спектр которых непреры- ренних оболочек атома, то освободив вен (см. § 258). Возникшее в результа- шееся место заполняется электронами те вылета электрона вакантное место на из вышележащих оболочек, и фотоэф внутренней оболочке атома будет за- фект сопровождается характеристиче полняться электронами с вышележа- ским рентгеновским излучением.

щих оболочек. Поэтому внутренняя Фотоэффект является преобладаю конверсия всегда сопровождается ха- щим механизмом поглощения в области рактеристическим рентгеновским излу- малых энергий 100 кэВ).

чением.

Фотоэффект может идти только на свя обладая нулевой массой занных электронах, так как свободный покоя, не могут замедляться в среде, электрон не может поглотить поэтому при прохождении -излучения при этом одновременно не удовлетво Единица поглощенной дозы излуче ряются законы сохранения энергии и ния — грей Гр = 1 Дж/кг — доза импульса.

излучения, при которой облученному По мере увеличения энергии веществу массой 1 кг передается энер тов 0,5 вероятность фото гия любого ионизирующего излучения эффекта очень мала и основным меха низмом взаимодействия с ве Экспозиционная доза излучения — ществом является комптоновское физическая величина, равная отноше рассеяние (см. § 206).

нию суммарного заряда всех ионов од При >1,02 МэВ = масса электрона) становится возмож- ного знака, созданных в воздухе, при ным процесс образования электронно- полном торможении вторичных элект позитронных пар в электрических по- ронов, образующихся в элементарном объеме, к массе воздуха в этом объеме.

лях ядер. Вероятность этого процесса пропорциональна Z и увеличивается с Единица экспозиционной дозы излуче ростом Поэтому при 10 МэВ ния — кулон на килограмм (Кл/кг);

основным процессом взаимодействия внесистемной единицей рен в любом веществе являет- тген (Р): 1 Р 2,58 • Кл/кг.

ся образование Биологическая доза — величина, пар.

определяющая воздействие излучения на организм.

Если энергия превышает энергию связи нуклонов в ядре (7 — Единица биологической дозы — био 8 МэВ), то в результате поглощения логический эквивалент рентгена может наблюдаться ядерный (бэр): 1 бэр — доза любого вида иони фотоэффект — выброс из ядра одно- зирующего излучения, производящая го из нуклонов, чаще всего нейтрона. такое же биологическое действие, как Большая проникающая способность и доза рентгеновского или используется в гамма-де фектоскопии — методе дефектоскопии, Мощность дозы излучения — вели основанном на различном поглощении чина, равная отношению дозы излуче распространении его на ния ко времени облучения. Различают:

одинаковое расстояние в разных средах. 1) мощность поглощенной дозы [еди Местоположение и размеры дефектов ница — грей на секунду (Гр/с)];

2) мощ (раковины, т. д.) определяют- ность экспозиционной дозы [едини ся по различию в интенсивности излу- ца — ампер на килограмм (А/кг)].

чения, прошедшего через разные участ ки просвечиваемого изделия.

Воздействие (а также § 260. Резонансное поглощение других видов ионизирующего излуче (эффект Мёссбауэра2) ния) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения. Различают Как уже указывалось, дискретный поглощенную, экспозиционную и био спектр обусловлен диск логическую дозы излучения.

ретностью энергетических уровней ядер Поглощенная доза излучения — атомов. Однако как следует из соотноше физическая равная отноше нию энергии излучения к массе облу С. Грей — английский физик.

чаемого вещества.

Р. Мёссбауэр (р. 1929) — немецкий физик.

ния неопределенностей энергия Наблюдение резонансного поглоще ния ядрами считалось долгое возбужденных состояний ядра прини время невозможным, так как при пере мает значения в пределах АЕ где ходе ядра из возбужденного состояния At — время жизни ядра в возбужденном с энергией Е в основное (его энергия состоянии. Следовательно, чем меньше принята равной нулю) излучаемый At, тем больше неопределенность энер- имеет энергию несколько гии возбужденного состояния. Нео- меньшую, чем Е, из-за отдачи ядра в пределенность энергии АЕ = 0 только процессе излучения:

для основного состояния стабильного ядра (для него At Неопределен где — кинетическая энергия отдачи ность энергии ядра.

системы (например, атома), обладающей При возбуждении же ядра и перехо дискретными уровнями энергии, опре де его из основного состояния в возбуж деляет естественную ширину энерге денное с энергией Е должен тического уровня (Г). Например, при иметь энергию времени жизни возбужденного состоя ния, равного с, естественная ши рина энергетического уровня пример где — энергия отдачи, которую но 1СГ2 эВ.

должен передать поглощающе Неопределенность энергии возбуж му ядру.

денного состояния, обусловливаемая Таким образом, максимумы линий конечным временем жизни возбужден излучения и поглощения сдвинуты от ных состояний ядра, приводит к немо носительно друг друга на величину нохроматичности испус 347). Используя закон сохранения каемого при переходе ядра из возбуж импульса, согласно которому в рас денного состояния в основное. Эта не смотренных процессах излучения и по монохроматичность называется есте глощения импульсы и ядра ственной шириной линии должны быть равны, получим ния.

При прохождении в ве ществе помимо описанных выше (см.

§ 259) процессов (фотоэффект, компто новское рассеяние, образование элект ронно-позитронных пар) должны в принципе наблюдаться также резонан Например, возбужденное состояние сные эффекты. Если ядро облучить изотопа иридия имеет энергию с энергией, равной разности одного из возбужденных и энергетических состояний то мо жет иметь резонансное поглоще ние ядрами: ядро погло щает той же частоты, что и час тота излучаемого ядром при переходе ядра из данного го состояния в основное.

129 кэВ, а время его жизни порядка 10 с, ют и имеют весьма малую ширину, рав так что ширина уровня Г 4 • эВ.

ную естественной ширине Г. Эффект Энергия же отдачи при излучении с это- Мёссбауэра был открыт на глубоко ох го уровня, согласно (260.1), приблизи- лажденном (с понижением темпе тельно равна 5 • эВ, т.е. на три по- ратуры колебания решетки «заморажи рядка больше ширины уровня. Есте- ваются»), а впоследствии обнаружен ственно, что никакое резонансное по- более чем на 20 стабильных изотопах глощение в таких условиях невозмож- (например, но (для резонансного по- Р. вооружил эксперимен глощения линия поглощения должна тальную физику новым методом изме совпадать с линией излучения). Из рений невиданной прежде точности.

опытов также следовало, что на свобод- Эффект Мёссбауэра позволяет измерять ных ядрах резонансное поглощение не энергии (частоты) излучения с ОТНОСИ наблюдается.

тельной точностью — = — Резонансное поглощение Е чения в принципе может быть получе- поэтому во многих областях науки и но только при компенсации потери техники может служить тончайшим энергии на отдачу ядра. Эту задачу ре- «инструментом» различного рода изме шил в 1958 г. Р.Мёссбауэр (Нобелев- рений. Появилась возможность изме ская премия г.). Он исследовал из- рять тончайшие детали внут лучение и поглощение в ренние магнитные и электрические ядрах, находящихся в кристаллической поля в твердых телах и т. д.

решетке, т.е. в связанном состоянии воздействие (например, зеема (опыты проводились низкой тем- новское ядерных уровней или пературе). смещение энергии фотонов при движении в тюле тяжести) может привести к очень ма В данном случае импульс и энергия лому смешению либо линии поглощения, отдачи передаются одному ядру, из либо линии излучения, иными словами, лучающему (поглощающему) привести к ослаблению или исчезновению а всей кристаллической решетке в це эффекта Мёссбауэра. Это смещение, следо лом. Так как кристалл обладает гораз вательно, может быть зафиксировано. По до большей массой по сравнению с мас- добным образом в лабораторных условиях сой отдельного ядра, то в соответствии был обнаружен (1960) такой тончайший эф фект, как «гравитационное красное смеще с формулой (260.1) потери энергии на ние», предсказанный обшей теорией отно отдачу становятся исчезающе малыми.

сительности.

Поэтому процессы излучения и погло щения происходят практи чески без потерь энергии (идеально уп § 261. Методы наблюдения руго).

и регистрации радиоактивных Явление упругого испускания (по глощения) атомными ядра- излучений и частиц ми, связанными в твердом теле, не со провождающееся изменением внутрен- Практически все методы наблюде ней энергии тела, называется эффек- ния и регистрации радиоактивных из том эра. При рассмотренных лучений (а, (3, и частиц основаны на условиях линии излучения и поглоще- их способности производить иониза ния практически совпада- цию и возбуждение атомов среды. За § 105), позволяющий преобразовывать ряженные частицы вызывают эти про слабые световые вспышки в электри цессы непосредственно, а и ческие импульсы, регистрируемые элек нейтроны обнаруживаются по иониза тронной аппаратурой. Обычно в каче ции, вызываемой возникающими в ре стве используют кри зультате их взаимодействия с электро сталлы некоторых неорганических нами и ядрами атомов среды быстры (ZnS для ми заряженными частицами. Вторичные для и или органи эффекты, сопровождающие рассмот ческих (антрацен, пластмассы — для ренные процессы, такие, как вспышка веществ.

света, электрический ток, потемнение фотопластинки, позволяют регистри- счетчики обла ровать пролетающие частицы, считать дают высоким разрешением по време их, отличать друг от друга и измерять ни с), определяемым родом их энергию. Приборы, применяемые регистрируемых частиц, для регистрации радиоактивных излу- ром и разрешающим временем исполь чений и частиц, делятся на две группы: зуемой электронной аппаратуры (оно доведено сейчас до с).

1) приборы, позволяющие регистри ровать прохождение частицы через оп- Для этого типа счетчиков эффектив ределенный участок пространства и в ность регистрации — отношение числа некоторых случаях определять ее ха- частиц к полному рактеристики, например энергию числу частиц, пролетевших в счетчике, черепковский примерно 100 % для заряженных частиц счетчик, импульсная и 30 % для Так как для мно камера, газоразрядный полу- гих сцинтилляторов проводниковый счетчик);

антрацен, стильбен) интенсивность све 2) приборы, позволяющие наблю- товой вспышки в широком интервале дать, например фотографировать, сле- энергий пропорциональна энергии пер вичной частицы, то счетчики на данных ды (треки) частиц в веществе (камера применяются для из Вильсона, диффузионная камера, пу зырьковая камера, ядерные фотоэмуль- мерения энергии регистрируемых час сии).

1. Сцинтилляционный счетчик. На- 2. Черепковский счетчик. Принцип блюдение сцинтилляций — вспышек его работы и свойства излучения Че света при попадании быстрых частиц на Вавилова, лежащие в основе флуоресцирующий экран — первый работы счетчика, рассмотрены в § 189.

метод, позволивший У. Круксу1 Э. Ре- Назначение черепковских счетчиков — зерфорду заре ядерной физики (1903) это измерение энергии частиц, движу визуально регистрировать щихся в веществе со скоростью, превы Сцинтилляционный счетчик — де- шающей фазовую скорость света в дан тектор ядерных частиц, основными эле- ной среде, и разделение этих частиц по массам.

ментами которого лятор (см. § 245) и Зная угол испускания излучения фотоэлектронный умножитель (см.

[см. (189.1)], можно определить ско рость частицы, что при известной мас се частицы равносильно определению У.Крукс - английский фи зик и ее энергии. С другой стороны, мас низкой точностью, обусловленной ма частицы не известна, то она может лостью выходного импульса).

быть определена по независимому из 4. Газоразрядный счетчик. Газораз мерению энергии частицы. Кроме того, рядный счетчик обычно выполняется в при наличии двух пучков частиц с раз виде наполненного газом металлическо ными скоростями будут различными и го цилиндра (катод) с тонкой проволо углы испускания излучений, по кото кой (анод), натянутой по его оси. Хотя рым можно искомые частицы опреде газоразрядные счетчики по конструкции лить. Для черепковских счетчиков раз похожи на ионизационную камеру, од решение по скоростям (иными слова нако в них основную роль играет вторич ми, по энергиям) составляет ная ионизация, обусловленная столкно Это позволяет отделять элементарные вениями первичных ионов с атомами и частицы друг от друга при энергиях молекулами газа и стенок.

порядка 1 ГэВ, когда углы испускания излучения различаются очень мало. Можно говорить о двух типах газо Время разрешения счетчиков достига- разрядных счетчиков: пропорциональ ет с. Счетчики Черепкова устанав- ных [в них газовый разряд несамостоя тельный (см. § 106), т. е. гаснет при пре ливаются на космических кораблях для кращении действия внешнего иониза исследования космического излучения.

3. Импульсная ионизационная ка- тора] и счетчиках ра1 них разряд самостоятельный (см.

мера — это детектор частиц, действие которого основано на способности за- § 107), т.е. поддерживается после пре кращения действия внешнего иониза ряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представ- тора].

ляет собой заполненный газом электри- В пропорциональных счетчиках ческий конденсатор, к электродам ко- рабочее напряжение так, торого подается постоянное напряже- чтобы они работали в области вольт-ам ние.

перной характеристики, соответствую щей несамостоятельному разряду, в ко Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, иони- торой выходной импульс пропорциона лен первичной ионизации, т.е. энергии зует газ. Напряжение так, чтобы все образовавшиеся ионы, с од- влетевшей в счетчик частицы. Поэтому они не только регистрируют но ной стороны, доходили до электродов, и измеряют ее энергию. В пропорцио не успев а с другой — не разгонялись настолько сильно, что- нальных счетчиках импульсы, вызыва емые отдельными частицами, усилива бы производить вторичную ионизацию.

Следовательно, в ионизационной каме- ются в раз (иногда и в раз).

ре на ее электродах непосредственно Счетчик Гейгера — Мюллера по кон собираются ионы, возникшие под дей- струкции и принципу действия суще ствием заряженных частиц. Ионизаци- ственно не отличается от пропорцио онные камеры бывают двух типов: ин- нального счетчика, но работает в обла тегрирующие (в них измеряется сум- сти вольт-амперной характеристики, марный ионизационный ток) и им- соответствующей самостоятельному пульсные, являющиеся, по существу, разряду (см. § 107), когда выходной счетчиками (в них регистрируется про хождение одиночной частицы и изме Э. Г. Мюллер — 1977) — фи ряется ее энергия, правда, с довольно пролетевших через камеру, образуются импульс не зависит от иони треки из тумана. Образовавшиеся тре зации. Счетчики Гейгера ки для воспроизводства их простран регистрируют частицу без измерения ее ственного я фотографиру энергии.

ются стереоскопически, т. е. под разны Коэффициент усиления этих счет ми углами. По характеру и геометрии чиков составляет 108. Для регистрации треков можно судить о прошедших раздельных импульсов возникший раз через камеру частиц (например, ряд следует гасить. Для этого, напри тица оставляет сплоил жирный след, мер, последовательно с нитью включа — тонкий), об частиц ется такое сопротивление, чтобы воз (по величине пробега), о плотности никший в счетчике разряд вызывал на ионизации (по количеству капель на сопротивлении падение напряжения, единицу длины трека), о количестве достаточное для прерывания разряда.

участвующих в частиц.

Временное разрешение счетчиков Гей гера — Мюллера составляет с. Российский ученый Д.В.Скобель Для газоразрядных счетчиков эф- цын (1892 — 1990) значительно расши фективность регистрации равна при- рил возможности камеры Вильсона, мерно 100 % для заряженных частиц и поместив ее в сильное магнитное поле примерно 5 % для (1927). По искривлению траектории 5. Полупроводниковый счетчик — заряженных частиц в магнитном поле, это детектор частиц, основным элемен- т.е. по кривизне трека, можно судить о том которого является полупроводни- знаке заряда, а если известен тип час ковый диод (см. § 250). Время разреше- тицы (ее заряд и масса), то радиусу ния составляет примерно с. Полу- кривизны трека можно определить проводниковые счетчики обладают вы- энергию и массу частицы даже в том сокой надежностью, могут работать в случае, если весь трек в камере не уме магнитных полях. Малая толщина ра- щается (для реакций при бочей области (порядка сотни микро- гиях вплоть до сотен мегаэлектрон метров) полупроводниковых счетчиков вольт).

не позволяет применять их для измере Недостаток камеры Вильсона — ее ния высокоэнергетических частиц.

малое рабочее время, составляющее при мерно 1 % от времени, затрачиваемого 6. Камера Вильсона1 — это для подготовки камеры к последующе старейший и на протяжении многих му расширению (выравнивание темпе десятилетий (вплоть до 50 — 60-х годов) ратуры и давления, рассасывание остат единственный тип трекового детектора.

Выполняется обычно в виде стеклянно- ков треков, насыщение паров), а также трудоемкость обработки результатов.

го цилиндра с плотно прилетающим поршнем. Цилиндр наполняется нейт- 7. Диффузионная камера (1936) — ральным газом (обычно гелием или ар- это разновидность камеры Вильсона.

гоном), насыщенным парами воды или В ней рабочим также явля спирта. При резком, т.е. адиабатном, ется пересыщенный пар, но состояние расширении газа пар становится пере- пересыщения создается диффузией па сыщенным и на траекториях частиц, ров спирта от нагретой (до 10 °С) крыш ки ко дну, охлаждаемому (до —60 °С) твердой углекислотой. Вблизи дна воз Ч.Вильсон фи никает слой пересыщенного пара тол зик.

примерно 5 см, в котором про- серебра. Так как эмульсия — среда бо ходящие заряженные частицы создают лее плотная, чем газ или жидкость, ис треки. В отличие от пользуемые в вильсоновской и пузырь диффузионная камера работает непре- ковой камерах, то при прочих равных рывно. Кроме того, из-за отсутствия условиях длина трека в эмульсии более поршня в ней могут создаваться давле- короткая. Так, трек длиной 0,05 см в ния до 4 что значительно увели- эмульсии эквивалентен треку в 1 м в чивает ее эффективный объем. камере Вильсона. Поэтому фотоэмуль 8. Пузырьковая камера [1952;

аме- сии применяются для изучения реак ций, вызываемых частицами в ускори риканский физик Д. Глезер (р. 1926)].

В пузырьковой камере рабочим веще- телях сверхвысоких энергий и в косми ством является перегретая (находяща- ческих лучах. При исследовании высо яся под давлением) прозрачная жид- коэнергетических частиц используют кость (жидкие водород, пропан, ксе- ся также так называемые стопы — большое число маркированных нон).

эмульсионных пластинок, помещаемых Запускается камера, так же как и ка на пути частиц и после проявления про мера Вильсона, резким сбросом давле меряемых иод микроскопом. В настоя ния, переводящим жидкость в неустой щее время методы наблюдения и реги чивое перегретое состояние. Пролета страции заряженных частиц и излуче ющая в это время через камеру заря ний настолько разнообразны, что их женная частица вызывает резкое вски описание выходит за рамки курса.

пание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой Большое значение начинают играть пузырьков пара — образуется трек, ко- сравнительно новые (1957) приборы — торый, как и в камере Вильсона, фото искровые камеры, использующие пре графируется. Пузырьковая камера ра- имущества счетчиков (быстрота регис ботает циклами.

трации) и трековых детекторов (пол Размеры пузырьковых камер при- нота информации о треках). Говоря об разно, искровая камера — это набор мерно такие же, как камеры Вильсона большого числа очень мелких счетчи (от десятков сантиметров до 2 м), но их ков. Поэтому она близка к счетчикам, эффективный объем на 2 — 3 порядка больше, так как гораздо плот- так как информация в ней выдается не медленно, без последующей обработки, нее газов. Это позволяет использовать и в то же время обладает свойствами пузырьковые камеры для исследования трекового детектора, так как по дей длинных цепей рождений и распадов ствию многих счетчиков можно устано частиц высоких энергий.

вить треки частиц.

9. Ядерные фотоэмульсии [1927;

российский физик В.

(1888—1939)] — это простейший тре ковый детектор заряженных частиц. § 262. Ядерные реакции Прохождение заряженной частицы в и их основные типы эмульсии вызывает ионизацию, приво дящую к образованию центров скрыто- Ядерные реакции ~ это превраще го изображения. После проявления сле- ния атомных ядер при взаимодействии ды заряженных частиц обнаруживают- с элементарными частицами (в том чис ся в виде зерен металлического ле и с или друг с другом.

Наиболее распространенным видом В отличие от радиоактивного распа ядерной реакции является реакция, за- да, который протекает всегда с выделе писываемая символически следующим нием энергии, ядерные реакции могут образом: быть как экзотермическими (с выде лением энергии), так и эндотермиче скими (с поглощением энергии).

где X и Y — исходное и конечное ядра;

Важную роль в объяснении механиз Ь — бомбардирующая и испускаемая ма многих ядерных реакций сыграло (или испускаемые) в ядерной реакции предположение Н.Бора (1936) о том, частицы.

что ядерные реакции протекают в две В ядерной физике эффективность стадии по следующей схеме:

взаимодействия характеризуют эф (262.1) фективным сечением о. С каждым ви дом взаимодействия частицы с ядром Первая стадия — это захват ядром X связывают свое эффективное сечение:

частицы а, приблизившейся к нему на эффективное сечение рассеяния опре- расстояние действия ядерных сил (при деляет процессы рассеяния, эффектив- мерно 2 • м), и образование проме ное сечение поглощения — процессы жуточного ядра С, называемого со поглощения. Эффективное сечение ставным (или компаунд-ядром).

ядерной реакции Энергия влетевшей в ядро частицы бы стро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбужденном состоя нии. При столкновении нуклонов со где N— число частиц, падающих за еди ставного ядра один из нуклонов (или их ницу времени на единицу площади по комбинация, например дейтрон — ядро перечного сечения вещества, имеюще тяжелого изотопа водорода — дейтерия, го в единице объема diV — число содержащее один протон и один нейт этих частиц, вступающих в ядерную рон) или может получить реакцию в слое толщиной da;

.

энергию, достаточную для вылета из Эффективное сечение а имеет раз ядра. В результате возможна вторая ста мерность площади и характеризует ве дия ядерной реакции — распад состав роятность того, что при падении пучка ного ядра на ядро Y и частицу Ъ.

частиц на вещество произойдет реакция.

В ядерной физике вводится харак Единица эффективного сечения терное ядерное время — время, необ ядерных процессов — барн (1 барн = ходимое для пролета частицей рассто = Ю-28 м2).

яния порядка величины, равной диа В любой ядерной реакции выполня метру ядра 10~15 м). Так, для час ются законы сохранения зарядовых и тицы с энергией 1 МэВ (что соответ массовых чисел: сумма зарядовых чисел ствует ее скорости v м/с) харак (и сумма массовых чисел) ядер и час тиц, вступающих в ядерную реакцию, терное ядерное время т = равна сумме зарядовых чисел (и сумме 10' м/с массовых чисел) конечных продуктов = с.

(ядер и частиц) реакции. Выполняют С другой стороны, доказано, что вре ся также законы сохранения энергии, мя жизни составного ядра равно импульса и момента импульса.

с, т. е. составляет Это 1 Курс физики свободном состоянии элементарных ча же означает, что за время жизни состав стиц и имеющее большое значение для ного ядра может произойти очень мно их изучения;

го столкновений нуклонов между со 3) по роду участвующих в них ядер — бой, т.е. перераспределение энергии реакции на легких ядрах (А < 50);

ре между нуклонами действительно воз акции на средних ядрах (50 < А < 100);

можно. Следовательно, составное ядро реакции на тяжелых ядрах > 100);

живет настолько долго, что полностью 4) по характеру происходящих ядер «забывает», каким образом оно образо ных превращений — реакции с испуска валось. Поэтому характер распада со нием нейтронов;

реакции с испускани ставного ядра (испускание им части ем заряженных частиц;

реакции захва цы — вторая стадия ядерной реак та (в этих реакциях составное ядро не ции — не зависит от способа образова испускает никаких частиц, а переходит ния составного ядра — первой стадии.

в основное состояние, излучая один или Если испущенная частица тожде несколько ственна с захваченной то схема Первая в истории ядерная реакция (262.1) описывает рассеяние частицы:

упругое — при — неупругое — осуществлена Э. Резерфордом (1919) Если же испущенная час- при бомбардировке ядра азота тица не тождественна с захваченной цами, испускаемыми радиоактивным (b а), то имеем дело с ядерной реак- источником:

цией в прямом смысле слова.

Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они назы ваются прямыми ядерными взаимо §263. Позитрон.

действиями (например, реакции, вы зываемые быстрыми нуклонами и дей- Электронный захват тронами).

Ядерные реакции классифицируют- П.Дираком было получено (1928) ся по следующим признакам: релятивистское квантовомеханическое 1) по роду участвующих в них час- уравнение для электрона, которое по тиц — реакции под действием нейтро- зволило без каких-либо дополнитель нов;

реакции под действием заряжен- ных предположений объяснить все ос ных частиц (например, протонов, дейт- новные свойства электрона, в том чис ронов, реакции под действи- ле наличие у него спина и магнитного ем момента. Замечательной особенностью 2) по энергии вызывающих их час- уравнения Дирака оказалось то, что из него для полной энергии свободного тиц — реакции при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходя- электрона получались не только поло жительные, но и отрицательные значе щие в основном с участием нейтронов;

реакции при средних энергиях (до не- ния. Этот результат мог быть объяснен скольких мегаэлектрон-вольт), проис- лишь предположением о существова ходящие с участием и заря- нии античастицы электрона — позит рона.

женных частиц (протоны, реакции при высоких энергиях (сотни Гипотеза Дирака, недоверчиво вос и тысячи мегаэлектрон-вольт), приво- принимавшаяся большинством физи дящие к рождению отсутствующих в ков, была блестяще подтверждена в 1932 г. К.Андерсоном1 (Нобелевская Энергетический как и премия 1936 г.), обнаружившим позит- (см. § 258), непрерывен.

рон в составе космического излучения. подчиняется следующему Существование позитронов было правилу смещения:

доказано наблюдением их треков в ка мере Вильсона, помещенной в магнит ное поле. Эти частицы в камере откло- Процесс протекает так, нялись так, как отклоняется движу- как если бы один из протонов ядра пре щийся положительный заряд. Опыты вратился в нейтрон, испустив при этом показали, что позитрон — частица с позитрон и нейтрино:

массой, в точности равной массе элект (263.1) рона, и спином единицах несу щая положительный электрический за- причем одновременный выброс нейтри но вытекает из тех же соображений, ко торые излагались при обсуждении Жолио-Кюри — Фредерик (1900 — 1958) и Ирен (1897-1956), бомбарди- распада (см. § 258). Так как масса про тона меньше, чем у нейтрона, то реакция руя различные ядра (1934), обнаружили искусственно-радиоактив- (263.1) для свободного протона наблю даться не может. Однако для протона, ные ядра (см. § 255), испытывающие а реакции на В, А1 и Mg при- связанного в ядре благодаря ядерному взаимодействию частиц, эта реакция вели к искусственно-радиоактивным оказывается энергетически возможной.

ядрам, претерпевающим -распад, Вскоре после опытов К.Андерсона, или позитронный распад:

а также обоснования было установлено, что позитроны могут рож даться при взаимодействии большой энергии > 1,02 МэВ = = с веществом (см. § 259). Этот процесс идет по схеме Электронно-позитронные пары были действительно обнаружены в помещен ной в магнитное поле камере Вильсона, (Нобелевская премия 1956 г.) Наличие в которой электрон и позитрон, имею в этих реакциях позитронов доказано щие противоположные по знаку заряды, при изучении их треков в камере Виль отклонялись в противоположные сторо сона, помещенной в магнитное поле.

ны. Для выполнения соотношения Таким образом, в экспериментах (263.2) помимо соблюдения законов со Жолио-Кюри, с одной стороны, откры- хранения энергии и импульса необходи та искусственная радиоактивность, а с мо, чтобы фотон обладал целым спином, другой — впервые обнаружен позитрон- равным 0 или 1, поскольку спины элек ный радиоактивный распад.

трона и позитрона равны экспе риментов и теоретических выкладок привели к выводу, что спин фотона дей К. Андерсон (1905 — — ствительно равен 1 (в единицах физик.

При столкновении позитрона с элек- ват и был открыт в 1937 г.). При е-зах троном происходит их аннигиляция: вате, кроме нейтрино, никакие другие частицы не вылетают, т.е. вся энергия (263.3) распада уносится нейтрино. В этом е-захват (часто его называют третьим в ее процессе видом существенно отлича пара превращается в два при ется от при которых выле чем энергия пары переходит в энергию тают две частицы, между которыми и фотонов. Появление в этом процессе распределяется энергия распада. При двух следует из закона сохра мером электронного захвата может слу нения импульса и энергии.

жить превращение радиоактивного ядра Реакция (263.3) подтверждена пря бериллия в стабильное ядро мыми экспериментами под руковод ством российского ученого Л. А. Арци Процессы (263.2) и возникновения и электронно-позитронных § 264. Открытие нейтрона.

пар — являются примером взаимосвязи Ядерные реакции различных форм материи: в этих про цессах материя в форме вещества пре- под действием нейтронов вращается в материю в форме электро магнитного поля, и наоборот. Нейтроны, являясь электрически Для многих ядер превращение про- нейтральными частицами, не испытыва ют кулоновского отталкивания и поэто тона в нейтрон, помимо описанного процесса (263.1), происходит посред- му легко проникают в ядра и вызывают разнообразные ядерные превращения.

ством электронного захвата, или е-захвата, при котором ядро спонтан- Изучение ядерных реакций под действи ем нейтронов не только сыграло огром но захватывает электрон с одной из ную роль в развитии ядерной физики, внутренних оболочек атома L и т. д.), но и привело к появлению ядерных ре испуская нейтрино:

акторов (см. § 267). Краткая история от крытия нейтрона такова. Немецкие физики В. Боте (1891 - 1957) и Г. Бек Необходимость появления нейтри кер в 1930 г., облучая ряд элементов, в но вытекает из закона сохранения спи частности ядра бериллия, на. Схема е-захвата:

обнаружили возникновение излучения очень большой проникающей способ ности. Так как сильно проникающими т.е. один из протонов ядра превраща могут быть только нейтральные части ется в нейтрон, заряд ядра убывает на цы, то было высказано предположение, единицу и оно смещается влево так же, что обнаруженное излучение — жесткие как и при позитронном распаде.

с энергией примерно 7 МэВ Электронный захват обнаруживает (энергия рассчитана по поглощению).

ся по сопровождающему его характери Дальнейшие эксперименты (Ирен и стическому рентгеновскому излуче Фредерик Жолио-Кюри, 1931 г.) пока нию, возникающему при заполнении зали, что обнаруженное излучение, вза образовавшихся вакансий в электрон имодействуя с водородосодержащими ной оболочке атома (именно так е-зах соединениями, например парафином, пример, энергии теплового движения выбивает протоны с пробегами пример атомов вещества замедлителя, т. е. рав но 26 см. Из расчетов следовало, что для ной приблизительно получения протонов с такими пробега Медленные нейтроны эффективны ми предполагаемые должны для возбуждения ядерных реакций, так были обладать фантастической по тем как они относительно долго находятся временам энергией 50 МэВ вместо рас вблизи атомного ядра. Благодаря это четных 7 МэВ!

му вероятность захвата нейтрона ядром Пытаясь найти объяснение описан- становится довольно большой. Однако ным экспериментам, английский физик энергия медленных нейтронов мала, Д.Чэдвик (1891 — 1974) предположил потому они не могут вызывать, напри (1932), а впоследствии доказал, что но- мер, неупругое рассеяние. Для медлен вое проникающее излучение представ- ных нейтронов характерны упругое рас ляет собой не а поток тяже- сеяние на ядрах [реакция типа (га, га)] и лых нейтральных частиц, названных им радиационный захват [реакция типа нейтронами. Таким образом, нейтро- Реакция приводит к обра ны были обнаружены в следующей зованию нового изотопа исходного ве ядерной реакции: щества:

Эта реакция не является единственной, например ведущей к выбрасыванию из ядер нейт ронов (например, нейтроны возникают в реакциях (а, га) и (а, га) Часто в результате -реакции об Характер ядерных реакций под дей разуются искусственные радиоактивные ствием нейтронов зависит от их скорос изотопы, дающие, как правило, ти (энергии). В зависимости от энергии пад. Например, в результате реакции нейтроны условно делят на две группы:

медленные и быстрые. Область энер гий медленных нейтронов включает в образуется радиоактивный изотоп себя область ультрахолодных (с энер претерпевающий с образова гией до эВ), очень холодных нием стабильного изотопа серы:

эВ), холодных эВ), тепловых 0,5 эВ) и резонанс ных (0,5 эВ) нейтронов. Ко второй Под действием медленных нейтро группе можно отнести быстрые ( нов на некоторых легких ядрах наблю 108 эВ), высокоэнергетичные (108 — даются также реакции захвата нейтро 1010 эВ) релятивистские эВ) нов с испусканием заряженных час нейтроны.

тиц — протонов и (под дей Замедлить нейтроны можно пропус ствием тепловых нейтронов):

кая их через какое-либо вещество, со держащее водород (например, парафин, вода). Проходя через такие вещества, быстрые нейтроны испытывают рассе яние на ядрах и замедляются до тех пор, (используется для обнаружения нейт пока их энергия не станет равной, на- ронов) (1902-1980) (Германия), О.Ф риша (1904— 1979)(Великобритания), (используется для получения трития, Л.Мейтнер (1878-1968) (Австрия), в частности в термоядерных взрывах;

Г. Н.Флерова Петр см. § 268).

жака (Россия) — было доказано, что Реакции типа (п,р) (п, а), т.е. ре при облучении урана нейтронами обра акции с образованием заряженных ча зуются элементы из середины Перио стиц, происходят в основном под дей дической системы — лантан и барий.

ствием быстрых нейтронов, так как в Этот результат положил начало ядер случае медленных нейтронов энергии ным реакциям совершенно нового атомного ядра недостаточно для пре типа деления заклю одоления потенциального барьера, пре чающимся в том, что тяжелое ядро под пятствующего вылету протонов и действием нейтронов, а как впослед стиц. Эти реакции, как и реакции ради ствии оказалось и других частиц, делит ационного захвата, часто ведут к обра ся на несколько более легких ядер (ос зованию ядер.

колков), чаще всего на два ядра, близ Для быстрых нейтронов наблюдает ких по массе.

ся неупругое их рассеяние, совершаю Замечательной особенностью деле щееся по схеме ния ядер является то, что оно сопровож дается испусканием двух-трех вторич ных нейтронов, называемых нейтрона где вылетающий из ядра нейтрон обо ми деления. Так как для средних ядер значен как поскольку это не тот ней число нейтронов примерно равно числу трон, который проник в ядро;

имеет энергию, меньшую энергии а оста- протонов ( — 1), а для тяжелых ядер ющееся после вылета нейтрона ядро на число нейтронов значительно превы ходится в возбужденном состоянии (от шает число протонов ( — 1,6), то об мечено звездочкой), поэтому его пере ZJ ход в нормальное состояние сопровож- разевавшиеся осколки деления пере дается испусканием гружены нейтронами, в результате чего Когда энергия нейтронов достигает они и выделяют нейтроны деления.

значений 10 МэВ, становятся возмож- Однако испускание нейтронов деле ными реакции типа Например, ния не устраняет полностью перегруз в результате реакции ку ядер-осколков нейтронами. Это при водит к тому, что осколки оказывают ся радиоактивными. Они могут претер образуется изотоп петь ряд сопровож претерпевающий распад по схеме даемых испусканием Так как сопровождается превращени ем нейтрона в протон [см. (258.1)], то после цепочки соотно шение между нейтронами и протонами § 265. Реакция деления ядра в осколке достигнет величины, соответ ствующей стабильному изотопу. На К началу 40-х годов работами многих пример, при делении ядра урана ученых — Э. Ферми (1901 - 1954) (Ита лия), О.Гана (1879-1968), Ф.Штрас- (265.1) Ядро рассматривается как капля элек осколок деления в результате трех трически заряженной несжимаемой актов превращается в ста жидкости (с плотностью, равной ядер бильный изотоп лантана ной, и подчиняющейся законам кванто вой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в Осколки деления могут быть разно колебательное движение, в результате образными, поэтому реакция (265.1) не чего ядро разрывается на две части, раз единственная, приводящая к делению летающиеся с огромной энергией.

Возможна, например, реакция Вероятность деления ядер определя ется энергией нейтронов. Например, если высокоэнергетичные нейтроны Большинство нейтронов при деле- (см. § 264) вызывают деление практи нии испускается практически мгновен- чески всех ядер, то нейтроны с энерги но 1СГ с), а часть (около 0,7 %) ис- ей в несколько мегаэлектрон-вольт — только тяжелых ядер (А > 210).

пускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 с Нейтроны, обладающие энергией t 60 с). Первые из них называются активации (минимальной энергией, мгновенными, вторые — запаздываю- необходимой для осуществления реак щими. В среднем на каждый акт деле- ции деления ядра) порядка 1 МэВ, вы ния приходится 2,5 испущенных нейтро- зывают деление ядер урана тория нов. Они имеют сравнительно широкий протактиния и плутония энергетический спектр в пределах от 0 до Тепловыми нейтронами делятся 7 МэВ, причем на один нейтрон в сред- ядра и (два пос нем приходится энергия около 2 МэВ. ледних изотопа в природе не встреча ются, они получаются искусственным Расчеты показывают, что деление путем). Например, изотоп получа ядер должно сопровождаться также ется в результате радиационного захва выделением большого количества энер та [реакции см. § 264)] нейтронов гии. В самом деле, удельная энергия ядром связи для ядер средними массовыми числами составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ (см. § 252). Следователь но, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энер § 266. Цепная реакция деления гия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления действи Испускаемые при делении ядер вто тельно выделяется огромная энергия, ричные нейтроны могут вызвать новые которая распределяется между оскол акты деления, что делает возможным ками (основная доля), нейтронами де осуществление цепной реакции деле ления, а также между продуктами пос ния — ядерной реакции, в которой час ледующего распада осколков деления.

тицы, вызывающие реакцию, образуют ся как продукты этой реакции. Цепная В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положе- реакция деления характеризуется ко эффициентом размножения к нейт на капельная модель ядра (см. § 254).

ронов, равен отношению чис (266.1) ла нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необ Интегрируя (266.1), получим ходимым условием для развития цепной реакции деления является требование Оказывается, что не все образующи где — число нейтронов в начальный еся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приво- момент времени, а N — их число в мо дит к уменьшению коэффициента раз- мент времени знаком множения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (простран- При к > 1 идет развивающаяся ре акция, число делений непрерывно рас ство, где происходит цепная реакция) тет и реакция может стать взрывной.

и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет актив- При к = 1 идет самоподдерживающа ную зону раньше, чем будет захвачена яся реакция, при которой число нейт каким-либо ядром. Во-вторых, часть ронов с течением времени не изменя нейтронов захватывается ядрами неде- ется. При к < 1 идет затухающая ре лящихся примесей, всегда присутству- акция.

ющих в активной зоне. Кроме того, на- Цепные реакции делятся на управ ряду с делением могут иметь место кон- ляемые неуправляемые. Взрыв атом курирующие процессы радиационного ной бомбы, например, является неуп захвата и неупругого рассеяния.

равляемой реакцией. Чтобы атомная Коэффициент размножения зависит бомба при хранении не взорвалась, в от природы делящегося вещества, а для ней (или делится на две уда данного изотопа — от его количества, а ленные друг от друга части с массами, также размеров и формы активной ниже критических. Затем с помощью зоны. Минимальные размеры активной обычного взрыва эти массы сближают зоны, при которых возможно осуществ- ся, общая масса делящегося вещества ление цепной реакции, называются становится больше критической и воз критическими размерами. Мини- никает взрывная цепная реакция, со мальная масса делящегося вещества, провождающаяся мгновенным выделе находящегося в системе критических нием огромного количества энергии и размеров, необходимая для осуществ- большими разрушениями. Взрывная ления цепной реакции, называется кри- реакция начинается за счет имеющих тической массой. ся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения.

Скорость развития цепных реакций Управляемые цепные реакции осуще различна. Пусть Т — среднее время ствляются в ядерных реакторах (см.

жизни одного поколения, а N — число §267).

нейтронов в данном поколении. В сле дующем поколении их число равно kN, В природе имеется три изотопа, ко т.е. прирост числа нейтронов за одно торые могут служить ядерным kN- N= N(k-l). При- вом в естественном уране его со рост же числа нейтронов за единицу держится примерно 0,7 %) или сырьем времени, т. е. скорость нарастания цеп- для его получения и в есте ной реакции, ственном уране его содержится пример но 99,3 служит исходным про дуктом для получения искусственного ядерного топлива [см. реакцию (265.2)], a поглощая нейтроны, посредством двух последовательных — для превращения в ядро Рис. Реакции (266.2) и (265.2), таким об разом, открывают реальную возмож для протока теплоносителя). Активная ность воспроизводства ядерного горю зона окружается отражателем 4, умень чего в процессе цепной реакции деления.

шающим утечку нейтронов.

Управление цепной реакцией осу ществляется специальными управляю § 267. Понятие щими стержнями 5 из материалов, о ядерной энергетике сильно поглощающих нейтроны (на пример, В, Cd). Параметры реактора Большое значение в ядерной энер- рассчитываются так, что при полностью гетике приобретает не только осуществ- вставленных стержнях реакция заведо мо не идет, при постепенном вынима ление цепной реакции деления, но и нии стержней коэффициент размноже управление ею. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается уп- ния нейтронов растет и при некотором их положении принимает значение, равляемая цепная реакция деления, равное единице. В этот момент реактор называются ядерными реакторами.

Пуск первого реактора в мире осуще- начинает работать.

ствлен в Чикагском университете По мере его работы количество де (1942) под руководством Э.Ферми, в лящегося материала в активной зоне России (и в Европе) — в Москве (1946) уменьшается и происходит ее загрязне под руководством И. В. Курчатова.

ние осколками деления, среди которых Для пояснения работы реактора рас- могут быть сильные поглотители нейт смотрим принцип действия реактора на ронов.

тепловых нейтронах (рис. 348). В ак- Чтобы реакция не прекратилась, из тивной зоне реактора расположены теп- активной зоны с помощью автоматичес ловыделяющие элементы 1 и замедли- кого устройства постепенно извлекают тель 2, в котором нейтроны ся управляющие (а часто специальные ся до тепловых скоростей. Тепловыде- компенсирующие) стержни. Подобное ляющие элементы (твэлы) представля- управление реакцией возможно благо ют собой блоки из делящегося матери- даря существованию запаздывающих ла, заключенные в герметичную обо- нейтронов (см. § 265), испускаемых де лочку, слабо поглощающую нейтроны.

лящимися ядрами с запаздыванием до За счет энергии, выделяющейся при 1 мин. Когда ядерное топливо выгора делении ядер, твэлы разогреваются, а ет, реакция прекращается. До нового поэтому для охлаждения они помеща- запуска реактора выгоревшее ядерное ются в поток теплоносителя (3 — канал топливо извлекают и загружают новое.

В реакторе имеются также аварийные Среди ядерных реакторов особое стержни, введение которых при внезап- место занимают энергетические реак ном увеличении интенсивности реак- торы-размножители. В них наряду с ции немедленно ее обрывает. выработкой электроэнергии идет про цесс воспроизводства ядерного горюче Ядерный реактор является мощным го в результате реакции (265.2) или источником проникающей радиации (нейтроны, примерно в (266.2). Это означает, что в реакторе на раз превышающей санитарные нор- естественном или слабообогащенном мы. Поэтому любой реактор имеет био- уране используется не только изотоп логическую защиту — систему экранов но и изотоп В настоящее вре мя основой ядерной энергетики с вос из защитных материалов (например, бетон, свинец, вода), располагающую- производством горючего являются ре ся за его отражателем, и пульт дистан- акторы на быстрых нейтронах.

ционного управления.

Впервые ядерная энергия для мир Ядерные реакторы различаются: ных целей была использована в СССР.

1) по характеру основных материа- В Обнинске под руководством И. В. Кур лов, находящихся в активной зоне (ядер- чатова введена в эксплуатацию (1954) ное топливо, замедлитель, теплоноси- первая атомная электростанция мощ тель);

в качестве делящихся и сырьевых ностью 5 МВт.

веществ используются Принцип работы атомной электро в качестве замедлителей — станции на водо-водяном реакторе при вода (обычная и тяжелая), графит, бе- веден на рис. 349. Урановые блоки риллий, органические жидкости и т.д., погружены в воду 2, которая служит в качестве теплоносителей — воздух, одновременно и замедлителем, и тепло вода, водяной пар, Не, и т.д.;

носителем. Горячая вода (она находит 2) по характеру размещения ядерно- ся под давлением и нагревается до 300 °С) из верхней части активной зоны го топлива и замедлителя в активной зоне: гомогенные (оба вещества равно- реактора поступает через трубопровод мерно смешаны друг с другом) и гете- 3 в парогенератор 4, где она испаряется рогенные (оба вещества располагают- и охлаждается, и возвращается через трубопровод 5 в реактор. Насыщенный ся порознь в виде блоков);

пар 6 через трубопровод 7 поступает в 3) по энергии нейтронов (реакторы паровую турбину 8, возвращаясь после на тепловых и быстрых нейтронах;

отработки через трубопровод 9 в паро в последних используются нейтроны генератор. Турбина вращает электри деления и замедлитель вообще отсут ческий генератор 10, ток от которого ствует);

поступает в электрическую сеть.

4) по типу режима (непрерывные и импульсные);

5) по назначению (энергетические, исследовательские, реакторы по произ водству новых делящихся материалов, радиоактивных изотопов и т.д.).

В соответствии с рассмотренными признаками и образовались такие на звания, как уран-графитовые, водо-во дяные, реакторы и др.

Рис. Создание ядерных реакторов привело к берегу Каспийского моря. Она использует промышленному применению ядерной ся для производства электроэнергии и оп энергии. Энергетические запасы ядерного реснения морской воды, обеспечивая водой горючего в рудах примерно па два порядка город и прилегающий район пефтедобычи с превышают запасы видов топ- населением около 150 тыс. человек. Шевчен лива. Поэтому, если, как предполагается, ос- ковская АЭС положила начало новой «атом новная доля электроэнергии будет выраба- ной отрасли» — опреснению соленых вод, тываться на АЭС, то это, с одной стороны, которая в связи с дефицитом пресноводных снизит стоимость электроэнергии, которая ресурсов во многих районах может иметь сейчас сравнима с вырабатываемой на теп- большое значение.

ловых электростанциях, а с другой — решит энергетическую проблему на несколько сто летий и позволит использовать сжигаемые § 268. Реакция синтеза атомных сейчас нефть и газ в качестве ценного сырья ядер. Проблема управляемых для химической промышленности.

термоядерных реакций В СНГ помимо создания мощных АЭС (например, Нововоронежской общей мощ ностью примерно 1500 МВт, первой очере- Источником огромной энергии ди Ленинградской с двумя реакторами по жет служить реакция синтеза атом 1000 МВт) большое внимание уделяется со- ных ядер — образование из легких ядер зданию небольших АЭС (750 — 1500 кВт), более тяжелых. Удельная энергия свя удобных для эксплуатации в зи ядер (см. рис. 345) резко увеличива условиях, а также решению задач малой ется при переходе от ядер тяжелого во ядерной энергетики. Так, построены первые дорода (дейтерия трития \Н) к ли в мире передвижные АЭС, создан первый в тию и особенно к гелию т. е. ре мире реактор («Ромашка»), в котором с по акции синтеза легких ядер в более тя мощью полупроводников происходит не желые должны сопровождаться выде посредственное преобразование тепловой лением большого количества энергии, энергии в электрическую (в активной зоне содержится 49 кг тепловая мощность что действительно подтверждается рас реактора 40 кВт, электрическая —• 0,8 кВт).

четами. В качестве примеров рассмот Огромные возможности для развития рим реакции синтеза:

атомной энергетики открываются с создани ем реакторов-размножителей на быстрых нейтронах в которых выработ ка энергии сопровождается производством вторичного горючего — плутония, зволит кардинально решить проблему обес печения ядерным горючим. Как показыва ют оценки, 1 т гранита содержит примерно 3 г и 12 г (именно они использу ются в качестве сырья в реакторах-размно где Q —- энерговыделение.

жителях), т.е. при потреблении энергии Реакции синтеза атомных ядер обла 5 • 108 МВт (на два порядка выше, чем сей дают той особенностью, что в них энер час) запасов урана и тория в граните хватит гия, выделяемая на один нуклон, зна на лет.

чительно больше, чем в реакциях деле Техника реакторов на быстрых нейтро ния тяжелых ядер. В самом деле, если нах находится в стадии поисков наилучших при делении ядра выделяется энер инженерных решений. Первая опытно-про гия примерно 200 МэВ, что составляет мышленная станция такого типа мощнос на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то тью 350 МВт построена в г. Шевченко на в реакции (268.1) эта величина равна 1) или во дородный, цикл, характерный для тем МэВ 3,5 МэВ.

ператур примерно К:

о Оценим на примере реакции синтеза ядер дейтерия температуру ее проте кания. Для соединения ядер дейтерия их надо сблизить до расстояния 2 • м, равного радиусу действия ядерных сил, преодолевая при этом потенциальную 2) углеродно-азотный, или угле энергию отталкивания —— МэВ.

родный, цикл, характерный для более 1 ак как на долю каждого сталкивающе- высоких температур (примерно 2 • К):

гося ядра приходится половина указан ной энергии, то средней энергии тепло вого движения, равной 0,35 МэВ, соот ветствует температура, приблизитель но равная 2,6 • К. Следовательно, ре акция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре, два порядка превышающей температу ру центральных областей Солнца (при мерно 1,3 • 107 К).

Однако оказывается, что для проте В результате этого цикла четыре кания реакции синтеза атомных ядер протона превращаются в ядро гелия и достаточно температуры порядка 107 К.

выделяется энергия, равная 26,7 МэВ.

Это связано с двумя факторами: 1) при Ядра же углерода, число которых оста температурах, характерных для реак ется неизменным, участвуют в реакции ций синтеза атомных ядер, любое веще в роли катализатора.

ство находится в состоянии плазмы, Термоядерные реакции дают наи распределение частиц которой подчи больший выход энергии на единицу няется закону Максвелла;

поэтому все массы «горючего», чем любые другие гда имеется некоторое число ядер, энер превращения, в том числе и деление гия которых значительно превышает тяжелых ядер. Например, количество среднее значение;

2) синтез ядер может дейтерия в стакане простой воды энер происходить вследствие туннельного гетически эквивалентно примерно 60 л эффекта (см. § 221).

бензина. Поэтому заманчива перспек Реакции синтеза легких атомных тива осуществления термоядерных ре ядер в более тяжелые, происходящие акций искусственным путем.

при сверхвысоких температурах (при Впервые искусственная термоядерная мерно 107 К и выше), называются тер реакция осуществлена в СССР (1953), а моядерными реакциями.

затем (через полгода) в США в виде Термоядерные реакции являются, взрыва водородной (термоядерной) бом по-видимому, бы, являющегося неуправляемой реакци энергии Солнца и звезд. В принципе ей. Взрывчатым веществом служила смесь высказаны два предположения о воз дейтерия и трития, а запалом — «обыч можных способах протекания термо ная» атомная бомба, при взрыве которой ядерных реакций на Солнце:

создается температура, необходимая находящейся в магнитном поле, само плаз менное образование — плазменный шнур — для протекания термоядерной реакции.

также имеет форму тора. В Т-10 плазма с Особый интерес представляет осу температурой примерно (7 • К и ществление управляемой термоядер плотностью примерно 1014 частиц/см3 созда ной реакции, для обеспечения которой ется в объеме, приблизительно равном необходимо создание и поддержание в на время около 1 с. Однако следует отме ограниченном объеме температуры по тить, что до осуществления критерия Лоу рядка 108 К. Так как при данной темпе — условия, необходимого для начала ратуре термоядерное рабочее вещество самоподдерживающейся термоядерной ре представляет собой полностью ионизо- акции, — еще остается значительный «путь»:

ванную плазму (см. § 108), возникает примерно 20 раз пт (произведение плот проблема ее эффективной термоизоля- ности частиц на время удержания плазмы) и примерно 10 раз температуре. Резуль ции от стенок рабочего объема. Сейчас таты, полученные на Т-10, вместе с резуль считается, что основной путь в этом на татами, ожидаемыми на создаваемых уста правлении — это удержание плазмы в новках (например, Т-20), по мере решения ограниченном объеме сильными маг разного рода инженерно-технологических нитными полями специальной формы.

проблем служат базой для создания термо ядерного реактора «Токамака».

Начало широкого международного со Управляемый термоядерный синтез от трудничества в области физики высокотем крывает человечеству доступ к неисчерпае пературной плазмы и управляемого тер мой «кладовой» ядерной энергии, заклю моядерного синтеза положено работами ченной в легких элементах. Наиболее заман И. В. Курчатова.

чивой в этом смысле является возможность Под руководством Л. А. Арцимовича извлечения энергии из дейтерия, содержа коллектив ученых Института атомной энер щегося в обычной воде. В самом деле, коли гии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил чество дейтерия в океанской воде составля широкий круг исследований, результатом ет примерно 4 • 1013 т, чему соответствует которых стал пуск летом 1975 г. в ИАЭ крупнейшей в мире термоядерной установ- энергетический запас 1017 МВт • год. Други ми словами, эти ресурсы не ограничены.

ки Остается только надеяться, что решение В как и во всех установках этого типа, этих проблем — дело недалекого будущего.

плазма создается в тороидальной камере, Контрольные вопросы Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?

Атомное ядро «составили» из нуклонов (масса каждого нуклона равна т).

Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?

Чем отличаются изобары от изотопов?

Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?

Как объясняется сверхтонкая структура спектральных линий?

Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное трем периодам полураспада?

Как (по какому закону) изменяется со временем активность нуклида?

Как объясняется на основе представлений квантовой теории?

Как изменится положение химического в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева после двух ядер его атомов? после последовательных одного и двух (3~-распадов?

(р. 1923) — английский физик.

• Как объясняется непрерывность энергетического спектра • Изменится ли химическая природа элемента при испускании его ядром • Какие явления сопровождают прохождение через вещество и в чем их суть?

• В чем суть эффекта Мёссбауэра? Где его применяют?

• Под действием каких частиц нейтронов) ядерные реакции более эффектив ны? Почему?

• Чем объяснить выброс нейтрино (антинейтрино) при • По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?

• Запишите схему е-захвата. Что сопровождает е-захват? В чем его отличие от • Что представляет собой реакция деления ядер? Приведите примеры.

• Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?

• В результате какой реакции происходит превращение ядер в ядра Каковы ее перспективы?

• Что можно сказать о характере цепной реакции деления, если: 1) к > 1;

2) к = 1;

3) к < 1?

• Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождаются выделением боль шого количества энергии? Когда на один нуклон выделяется большая энергия? Почему?

• По каким признакам можно классифицировать ядерные реакторы?

ЗАДАЧИ 32.1. Определите удельную энергию связи для ядра если масса его нейтрального атома равна 19,9272 • 10~ кг. [7,7 МэВ/нуклон] 32.2. Определите, какая часть (в %) начального количества ядер радиоактивного изото па останется нераспавшейся по истечении времени t, равного трем средним временам жиз ни т радиоактивного ядра. [5 % ] 32.3. Период полураспада радиоактивного изотопа составляет 24 ч. Определите время, за которое распадается начального количества ядер. [10,5 ч] 32.4. Поглощается или выделяется энергия при ядерной реакции Н + Не Н ?

Определите эту энергию. [18,4 МэВ] 32.5. В процессе осуществления реакции энергия фотона была равна 2,02 МэВ. Определите полную кинетическую энергию позитрона и электрона в момент их возникновения. [1 МэВ] 32.8. В ядерном реакторе на тепловых нейтронах среднее время жизни одного поколе ния нейтронов составляет Г = 90 Принимая коэффициент размножения нейтронов определите период т реактора, т. с. время, в течение которого поток тепловых ней тронов увеличится в е раз. [ т = 30 с] — ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ § 269. Космическое излучение ходящего на Землю практически изот ропно со всех направлений космичес Развитие физики элементарных ча- кого пространства. Измерения интен стиц тесно связано с изучением косми- сивиости космического излучения, про ческого излучения — излучения, при- водимые методами, аналогичными ме Рис. тодам регистрации радиоактивных из лучений и частиц (см. § 261), приводят к выводу, что его интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h 50 км остает ся практически постоянной (рис. 350).

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Излучение, приходящее непосредственно из космо продвижения к поверхности Земли ис са, называют первичным космическим пытывают поглощение.

излучением. Исследование его состава В составе вторичного космическо показало, что первичное излучение го излучения можно выделить два ком представляет собой поток элементар понента: мягкий (сильно поглощается ных частиц высокой причем свинцом) и жесткий (обладает в свин более 90 % из них составляют протоны це большой проникающей способнос с энергией примерно эВ, око тью).

ло 7 % — и лишь небольшая Происхождение мягкого компонен доля (около 1 %) приходится на ядра та объясняется следующим образом.

более тяжелых элементов > 20).

В космическом пространстве всегда По современным представлениям, имеются с энергией Е > основанным на данных астрофизики и которые в поле атомных ядер превра радиоастрономии первичное космиче щаются в электронно-позитронные ское излучение имеет в основном галак пары (см. § 263). Образовавшиеся та тическое происхождение. Считается, ким образом электроны и позитроны, что ускорение частиц до столь высоких тормозясь, в свою очередь, создают энергий может происходить при стол энергия которых еще доста кновении с движущимися межзвездны точна для образования новых электрон ми магнитными полями. При h 50 км пар и т.д. до тех пор, (см. рис. 350) интенсивность космичес пока энергия не будет мень кого излучения постоянна;

на этих вы ше (рис. 351). Описанный про сотах наблюдается лишь первичное из цесс называется лучение.

(или каскадным) С приближением к Земле ливнем. Хотя первичные частицы, при ность космического излучения возрас водящие к образованию этих ливней, тает, что свидетельствует о появлении обладают огромными энергиями, но лив вторичного космического излучения, невые частицы являются «мягкими» — которое образуется в результате взаи модействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной ат мосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы.

При h < 20 км космическое излучение является вторичным;

с уменьшением h его интенсивность понижается, по скольку вторичные частицы по мере не проходят через большие толщи веще- свинцовых фильтрах с помощью ка ства. Таким образом, ливневые части- меры Вильсона, помещенной в магнит цы — электроны, позитроны и — ное поле, действительно обнаружили и представляют собой мягкий компо- (1936) частицы массой, близкой к ожи нент вторичного космического излуче- даемой Они были названы ния. Природа жесткого компонента бу- впоследствии дет рассмотрена ниже (см. § 270).

Доказано, что жесткий компонент Исследование космического излуче- вторичного космического излучения ния, с одной стороны, позволило на на- состоит в основном из мюонов, кото чальном этапе развития физики эле- рые, как будет показано ниже, образу ментарных частиц получить основные ются вследствие распада более тяжелых экспериментальные данные, на кото- заряженных частиц и рых базировалась эта область науки, а Так как масса мюонов большая, то ра с другой — дает возможность и сейчас диационные потери для них пренебре изучать процессы с частицами сверхвы- жимо малы, а поэтому жесткий компо соких энергий вплоть до 10 эВ, кото- нент вторичного излучения обладает рые еще не получены искусственным большой проникающей способностью.

путем. С начала 50-х гг. XX в. для ис- Существуют положительный и следования элементарных частиц ста- отрицательный мюоны;

заряд мю ли применять ускорители (позволяют онов равен элементарному заряду е.

ускорять частицы до сотен гигаэлект- Масса мюонов (оценивается по произ рон-вольт;

см. § в связи с чем кос- водимому ими ионизационному дейст мическое излучение утратило свою ис- вию) равна время жизни и ключительность при их изучении, оста одинаково и равно 2,2 • с.

ваясь Исследования изменения интенсивно частиц в области сверхвысоких энергий.

сти жесткого компонента вторичного космического излучения с высотой по казали, что на меньших высотах потоки мюонов менее интенсивны. Это говорит § 270. Мюоны и их свойства о том, что мюоны претерпевают само произвольный распад, являясь, таким Японский физик X. Юкава (1907 — образом, нестабильными частицами.

1981), изучая природу ядерных сил (см.

§ 254) и развивая идеи отечественных Распад мюонов происходит по сле ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об дующим схемам:

их обменном характере, выдвинул в 1935 г. гипотезу о существовании час тиц с массой, в 200 — 300 раз превыша ющей массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять где И — соответственно роль носителей ядерного взаимодей ные» нейтрино и антинейтрино, ко ствия, подобно тому, как фотоны торые, как предположил Б. М. Понте ются носителями электромагнитного корво 1993) и эксперименталь взаимодействия.

но доказал (1962) американский физик К. Андерсон и С. Неддермейер, изу Л.Ледерман (р. 1922), отличаются от чая поглощение жесткого компонента и — нейтрино вторичного космического излучения в и антинейтрино, сопутствующих ис действию космических лучей пусканию позитрона и электрона соот обнаружили ядерно-активные части ветственно (см. § 263, 258). Существо цы — так называемые (от вание следует из законов со «мезон» — средний), или пионы.

хранения энергии и спина.

В том же году пионы была получены ис Из схем распада (270.1) и (270.2) кусственно в лабораторных условиях следует, что спины мюонов, как и элек при бомбардировке мишеней из С и трона, должны быть равны Си ускоренными в синх так как спины нейтрино роциклотроне до и антинейтрино взаимно компен сильно взаимодействуют с нуклонами сируются.

и атомными ядрами и, по современным Дальнейшие эксперименты привели представлениям, обусловливают суще к выводу, что мюоны не взаимодейству ствование ядерных сил.

ют или взаимодействуют весьма слабо с атомными ядрами, иными словами, Мезоны бывают положительные являются части- отрицательные (их заряд равен цами. Мюоны, с одной стороны, из-за элементарному заряду е) и нейтраль ядерной пассивности не могут рождать- ные Масса и оди ся при взаимодействии первичного ком- накова и равна масса понента космического излучения с яд- равна Все пионы нестабильны:

рами атомов атмосферы, с — из- время жизни соответственно для заря за нестабильности не могут находиться женных и нейтрального со в составе первичного космического из- ставляет 2,6 • и 0,8 • с.

лучения. Следовательно, отождествить Распад заряженных пионов проис мюоны с частицами, которые, согласно ходит в основном по схемам X. Юкаве, являлись бы носителями ядер ного взаимодействия, не удалось, так как такие частицы должны интенсивно взаимодействовать с ядрами.

Эти рассуждения и накопленный где мюоны испытывают впоследствии экспериментальный ма- распад по рассмотренным выше схемам териал привели к выводу о (270.1) и (270.2). Из схем распада жны существовать какие-то ядерно-ак и следует, что спины за тивные частицы, распад которых и при- ряженных должны быть водит к образованию мюонов. Действи либо целыми (в единицах либо рав тельно, в 1947 т. была обнаружена час- ны нулю. Спины заряженных тица, обладающая свойствами, предска- нов по ряду других экспериментальных занными Юкавой, которая распадается данных оказались равными нулю.

на мюон в нейтрино. Этой частицей ока Нейтральный пион распадается на зался два § 271. Мезоны и их свойства Спин так же как и спин равен нулю.

(1903 — 1969;

английский Исследования в космических лучах физик) с сотрудниками, подвергая на методом фотоэмульсий и изуче большой высоте ядерные фотоэмульсии ние реакций с участием частиц высоких и нейтронов в ядрах атомов и обеспе энергии, полученных на ускорителях, чивает исключительную прочность привели к открытию К-мезонов, или этих образований, лежащую в основе каонов, — частиц с нулевым спином и стабильности вещества в земных усло с массами, приблизительно равными виях.

В настоящее время известно че тыре типа каонов: положительно заря- Электромагнитное взаимодей женный отрицательно заряжен- ствие характеризуется как взаимодей ствие, в основе которого лежит связь с ный (К~) и два нейтральных и электромагнитным полем. Оно харак Время жизни лежит в пре терно для всех элементарных частиц, за делах с в зависимости от их исключением нейтрино, антинейтрино типа.

и фотона. Электромагнитное взаимо Существует несколько схем распада действие, в частности, ответственно за Распад заряженных существование атомов и молекул, обус нов происходит преимущественно по ловливая взаимодействие в них поло схемам жительно заряженных ядер и отрица тельно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие — наибо лее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответ Распад нейтральных в ственно за взаимодействие частиц, про основном происходит по следующим исходящих с участием нейтрино или схемам (в порядке убывания вероятно- антинейтрино (например, сти распада):

а также за безнейтринные для короткоживущих процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (т с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения части для долгоживущих цам, однако из-за малости масс элемен тарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микроми ра несущественно.

Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превышает электромагнитное и в 10 раз — слабое. Чем сильнее взаи § 272. Типы взаимодействий модействие, тем с большей интенсивно элементарных частиц стью протекают процессы. Так, время жизни частиц, резонанса Согласно современным представле- ми, распад которых описывается силь ниям, в природе осуществляется четы- ным взаимодействием, составляет при ре типа фундаментальных взаимодей- мерно с;

время жизни ствий: сильное, электромагнитное, сла- за распад которого ответственно элект бое и гравитационное. ромагнитное взаимодействие, составля Сильное, или ядерное, взаимодей- ет с;

для распадов, за которые от ветственно слабое взаимодействие, ха ствие обусловливает связь протонов рактерны времена жизни 10 с.

наковым значениям масс нуклонов Как сильное, так и слабое взаимодей- (протонов и нейтронов) и всех ствия — короткодействующие. Радиус нов. Различие в массах нуклонов и со действия сильного взаимодействия со- ответственно обусловлено ставляет примерно м, слабого — электромагнитным взаимодействием:

не превышает м. Радиус действия энергии взаимодействующих заряжен электромагнитного взаимодействия ных и нейтральных частиц различны, практически не ограничен.

поэтому и массы заряженных и нейт Элементарные частицы принято де- ральных частиц оказываются неодина лить на три группы: ковыми.

1) фотоны, состоящие всего лишь Зарядовая независимость в сильных из одной частицы — фотона кванта взаимодействиях позволяет близкие по электромагнитного излучения;

массе частицы рассматривать как раз 2) лептоны (от греч. — лег- личные зарядовые состояния одной и кий), участвующие только в электро- той же частицы. Так, нуклон образует дублет (нейтрон, протон), — магнитном и слабом взаимодействиях.

триплет и т.д. Подобные К лептонам относятся электронное и группы «похожих» элементарных час мюонное нейтрино, электрон, мюон и тиц, одинаковым образом участвующих открытый в 1975 г. тяжелый — в взаимодействии, имеющие т-лептон, или таон, с массой примерно близкие массы и отличающиеся заряда а также соответствующие им античастицы. Название лептонов свя- ми, называют изотопическими зано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех дру- Каждый изотопический мультиплет гих частиц. К лептонам относится так- характеризуют изотопическим спи же таонное нейтрино, существование ном (изоспином) — одной из внутрен которого также установлено;

.

них характеристик адронов, определя 3) адроны (от греч. «адрос» — круп- ющей число (п) частиц в изотопичес ком мультиплете: п = 1. Тогда изо ный, сильный), обладающие сильным взаимодействием наряду с электромаг- спин нуклона / = (число членов в изотопическом мультиплете нуклона нитным и слабым. Из рассмотренных равно двум), пиона /= 1 (в пи выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны. онном мультиплете 3) и т.д. Изото пический спин характеризует только Для всех типов взаимодействия эле число членов в изотопическом мульти ментарных частиц выполняются законы плете и никакого отношения к рассмат сохранения энергии, импульса, момен риваемому ранее спину не имеет.

та импульса и зарядовых чисел.

Характерным признаком сильных Исследования показали, что во всех взаимодействий является не- процессах, связанных с превращениями зависимость ядерных сил. Как уже ука- элементарных частиц, обусловленных зывалось (см. § 254), ядерные силы, зарядово-независимыми сильными вза действующие между парами р — р,п—п имодействиями, выполняется закон или р—п, одинаковы. Поэтому если бы сохранения изотопического спина.

в ядре осуществлялось только сильное Для электромагнитных и слабых взаи взаимодействие, то зарядовая независи- модействий этот закон не выполняет мость ядерных сил привела бы к оди- ся. Так как электрон, позитрон, фотон, тичастицами. Однако в 1956 г. доказа мюоны, и в но, что подобная симметрия характер сильных взаимодействиях участия не на только для сильного и электромаг принимают, то им изотопический спин нитного взаимодействий и нарушает не приписывается.

ся для слабого.

Согласно теории Дирака, столкнове § 273. Частицы и античастицы ние частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие Гипотеза об античастице впервые элементарные частицы или фотоны.

возникла в 1928 г., когда П.Дирак на основе релятивистского волнового Примером тому является рассмотрен ная реакция (263.3) аннигиляции пары уравнения предсказал существование позитрона (см. § 263), обнаруженного электрон — позитрон ( + ).

спустя четыре года К. Андерсоном в со- После того как предсказанное теоре ставе космического излучения. тически существование позитрона было подтверждено экспериментально, воз Электрон и позитрон не являются единственной парой частица — антича- ник вопрос о существовании антипро стица. На основе релятивистской кван- тона и антинейтрона. Расчеты показы вают, что для создания пары частица — товой теории пришли к заключению, что для каждой элементарной частицы античастица надо затратить энергию, превышающую удвоенную энергию по должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения). коя пары, поскольку частицам необхо Эксперименты показывают, что за не- димо сообщить весьма значительную многим исключением (например, фото- кинетическую энергию. Для создания на и действительно, каждой необходима энергия пример но 4,4 ГэВ. Антипротон был действи частице соответствует античастица.

тельно обнаружен экспериментально Из общих положений квантовой те (1955) при рассеянии протонов (уско ории следует, что частицы и античасти ренных на крупнейшем в то время син цы должны иметь одинаковые массы, хрофазотроне Калифорнийского уни одинаковые времена жизни в вакууме, верситета) на нуклонах ядер мишени одинаковые по модулю, но противопо (мишенью служила медь), в результате ложные по знаку электрические заря которого рождалась пара р ды (и магнитные моменты), одинако вые спины и изотопические спины, а Антипротон отличается от протона также одинаковые остальные кванто- знаками электрического заряда и соб вые числа, приписываемые элементар- ственного магнитного момента. Анти ным частицам для описания закономер- протон может аннигилировать не толь ностей их взаимодействия (лептонное ко с протоном, но и с нейтроном:

число, барионное число, странность, (273.1) очарование и т.д.).

(273.2) До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия между частицами и (273.3) античастицами, т. е. если какой-то про цесс идет между частицами, то должен Годом позже (1956) на том же уско существовать точно такой же (с теми же рителе удалось получить антинейтрон характеристиками) процесс между ан- (п) и осуществить его аннигиляцию.

Антинейтроны возникали в результате эн (1956) надежно зафиксировали ре перезарядки антипротонов при их дви- акцию захвата электронного антинейт жении через вещество. Реакция переза- рино протоном:

р состоит в обмене зарядов меж (273.6) ду нуклоном и антинуклоном и может протекать по схемам Аналогично зафиксирована реакция захвата электронного нейтрино нейтро ном:

(273.7) Антинейтрон п отличается от нейт рона п знаком собственного магнитно Таким образом, реакции (273.6) и го момента. Если антипротоны — ста (273.7) явились, с одной стороны, бес бильные частицы, то свободный анти спорным доказательством того, что и нейтрон, если он не испытывает анни — реальные частицы, а не фиктивные гиляции, в конце концов претерпевает понятия, введенные лишь для объясне распад по схеме ния а с другой — подтверди ли вывод о том, что и — различные с (258.1)].

частицы.

В дальнейшем эксперименты по Античастицы были найдены также рождению и поглощению мюонных для каонов и гиперонов (см.

нейтрино показали, что и — раз § 274). Однако существуют частицы, личные частицы. Также доказано, что которые античастиц не имеют, — это так пара — различные частицы, а пара называемые истинно нейтральные ча не тождественна паре Соглас стицы. К ним относятся фотон, но идее Б.М.Понтекорво (см. § 271), зон и т|-мезон (его масса равна осуществлялась реакция захвата мюон время жизни 7 • с;

распадается с об ного нейтрино [получались при распа разованием и де + (271.1)] нейтронами и Истинно нейтральные частицы не спо наблюдались возникающие частицы.

собны к аннигиляции, но испытывают Оказалось, что реакция (273.7) не идет, взаимные превращения, являющиеся а захват происходит по схеме фундаментальным свойством всех эле ментарных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

т. е. вместо электронов в реакции рож Большой интерес и серьезные труд дались Это и подтверждало ности представляли доказательство су различие между и ществования антинейтрино и ответ на По современным представлениям, вопрос, являются ли нейтрино и анти нейтрино и антинейтрино отличаются нейтрино тождественными или различ друг от друга одной из квантовых ха ными частицами. Используя мощные рактеристик состояния элементарной потоки антинейтрино, получаемые в частицы — определя реакторах [осколки деления тяжелых емой как проекция спина частицы на ядер испытывают и, согласно направление ее движения (на импульс).

(258.1), испускают антинейтрино], аме Для объяснения эксперименталь риканские физики Ф. Рейнес и К. Коу ных данных предполагают, что у нейт Следует, однако, отметить, что воз можность аннигиляции при встрече с частицами не позволяет античастицам длительное время существовать среди частиц. Поэтому для устойчивого стояния антивещества оно должно быть Нейтрино Антинейтрино изолировано от вещества. Если бы вблизи известной нам части Вселенной существовало скопление антивещества, рино спин ориентирован антипарал- то должно было бы наблюдаться мощ ное аннигиляционное излучение (взры лельно импульсу р, т. е. направления р и образуют левый винт и нейтрино об- вы с выделением огромных количеств энергии). Сколь-нибудь существенных ладает левой (рис.

скоплений антивещества во Вселенной 352, а), У антинейтрино направления р и образуют правый винт, т. е. антиней- пока не обнаружено. Исследования, проводимые для поиска антиядер (в ко трино обладает правой (рис. 352, б). Это свойство спра- нечном счете антиматерии), и достиг ведливо в равной мере как для элект- нутые в этом направлении первые ус ронного, так и мюонного нейтрино (ан- пехи имеют фундаментальное значение для дальнейшего познания строения ве тинейтрино).

щества.

Для того чтобы спиральность могла быть использована в качестве характе ристики нейтрино (антинейтрино), масса нейтрино должна приниматься § 274. Гипероны. Странность равной нулю. Введение спиральности и четность элементарных частиц позволило объяснить, например, нару шение закона сохранения четности (см.

В ядерных фотоэмульсиях (конец § 274) при слабых взаимодействиях, 40-х годов XX в.) в на ускорителях за вызывающих распад элементарных ча- ряженных частиц (50-е годы) обнару стиц и Так, припи- жены тяжелые нестабильные элемен сывают правую спиральность, тарные частицы массой, большей мас ну — левую.

сы нуклона, названные гиперонами (от греч. hyper — сверх, выше). Извест После открытия столь большого числа античастиц возникла новая зада- но несколько типов гиперонов: ламбда (Л°), сигма (Е°, кси и ча — найти антиядра, иными словами, омега доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, так Существование следо же как вещество из частиц. Антиядра вало из предложенной (1961) М. Гелл действительно были обнаружены. Пер- Маном (р. 1929) (американский физик;

вое антиядро — антидейтрон (связан- Нобелевская премия 1969 г.) схемы для ное состояние — было получено в классификации сильно взаимодейству 1965 г. группой американских физиков ющих элементарных частиц. Все изве под руководством Л. Ледермана. В по- стные в то время частицы укладывались следствии на Серпуховском ускорите- в эту схему, но в ней оставалось одно ле были синтезированы ядра антигелия незаполненное место, которое должна (1970) и антитрития (1973). была занять отрицательно заряженная М. Гелл-Маном с помощью квантового частица массой, равной примерно числа — странности S, которая сохра В результате специально по няется в процессах сильного и электро ставленного эксперимента был дей магнитного взаимодействий.

ствительно обнаружен -гиперон мас Если приписать каонам 5= 1, а Л°- и сой Е-гиперонам 5= -1 и считать, что у Гипероны имеют массы в пределах нуклонов и S — О, то сохра — 3273) их спин равен (толь нение суммарной странности частиц в ко спин равен время сильном взаимодействии объясняет как жизни приблизительно с (для совместное рождение Л°-гиперона с Е°-гиперона время жизни равно при так и невозможность рас близительно с). Они участвуют в пада частиц со странностью, не равной сильных взаимодействиях, т. е. принад нулю, за счет сильного взаимодействия лежат к группе адронов. Гипероны рас на частицы, странность которых равна падаются на нуклоны и легкие части нулю. Реакция (274.2) идет с наруше цы электроны, нейтрино и нием странности, поэтому она не может происходить в результате сильного вза Детальное исследование рождения и имодействия. которые превращения гиперонов привело к ус рождаются совместно с двумя каонами, тановлению новой квантовой характе приписывают S = —2;

— ристики элементарных частиц — так называемой странности. Ее введение оказалось необходимым для объясне- Из закона сохранения странности ния ряда парадоксальных (с точки зре- следовало существование частиц, та ния существовавших представлений) ких, как ко свойств этих частиц. Дело в том, что торые впоследствии были обнаружены гипероны должны были, как представ- экспериментально. Каждый гиперон лялось, обладать временем жизни при- имеет свою античастицу.

мерно с, что в 1013 раз (!) меньше Элементарным частицам приписы установленного на опыте. Подобные вают еще одну квантово-механическую времена жизни можно объяснить лишь величину — четность Р — квантовое тем, что распад гиперонов происходит число, характеризующее симметрию в результате слабого взаимодействия.

волновой функции элементарной час Кроме того, оказалось, что всякий раз тицы (или системы элементарных час гиперон рождается в паре с тиц) относительно зеркального отраже Например, в реакции ния. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет (274.1) знака, то четность частицы Р = +1 (чет ность положительная), если меняет с всегда рождается знак, то четность частицы Р — — 1 (от зон, в поведении которого обнаружива рицательная).

ются те же особенности, что и у гипе рона. Распад же Л°-гиперона происхо- Из квантовой механики вытекает закон сохранения четности, согласно дит по схеме которому при всех превращениях, пре (274.2) терпеваемых системой частиц, четность Особенности поведения гиперонов и состояния не изменяется. Сохранение были объяснены в 1955 г. четности связано со свойством зеркаль нои симметрии пространства и указы- ми и характеристиками, которые отли вает на инвариантность законов приро- чают их от частиц другой группы.

ды по отношению к замене правого ле- К группе фотонов относится един вым, и наоборот. Однако исследования ственная частица — фотон, который распадов привели американ- переносит электромагнитное взаимо ских физиков и Ч.Янга (1956 г.;

действие. В электромагнитном взаимо Нобелевская премия 1957 г.) к выводу действии участвуют в той или иной сте о том, что в слабых взаимодействиях пени все частицы, как заряженные, так закон сохранения четности может на- и нейтральные (кроме нейтрино).

рушаться. Целый ряд опытов подтвер- К группе лептонов относятся элек дили это предсказание. Таким образом, трон, мюон, тау-лептон, соответствую закон сохранения как и закон щие им нейтрино, а также их античас сохранения странности, выполняется тицы. Все лептоны имеют спин, равный только при сильных и электромагнит- 1/2, и, следовательно, являются ферми ных взаимодействиях. онами (см. § 226), подчиняясь статис тике Ферми (см. § 235). По скольку лептоны в сильных взаимодей § 275. Классификация ствиях не участвуют, изотопический спин им не приписывается. Странность элементарных частиц. Кварки лептонов равна нулю.

В многообразии элементарных час- Элементарным частицам, относя тиц, известных в настоящее время, об- щимся к группе лептонов, приписыва наруживается более или менее строй- ют так называемое лептонное число ная система классификации. Для ее по- заряд) L. Обычно прини яснения в табл. 13 представлены основ- мают, что L = +1 для лептонов (е~, ные характеристики рассмотренных т~, L = — 1 для антилептонов выше элементарных частиц. и L — 0 для всех Характеристики античастиц не при- остальных элементарных частиц. Вве дение L позволяет за водятся, поскольку, как указывалось в § 273, модули зарядов и странности, мас- кон сохранения лептонного числа:

в замкнутой системе при без исклю сы, спины, изотопические спины, время жизни частиц в вакууме и их античас- чения процессах взаимопревращаемос ти элементарных частиц лептонное чис тиц одинаковы, они различаются лишь ло сохраняется.

знаками зарядов и странности, а также знаками других величин, характеризу- Теперь понятно, почему при распаде ющих их электрические (а следователь- (258.1) нейтральная частица названа но, и магнитные) свойства. В табл. антинейтрино, а при распаде (263.1) — нет также античастиц фотона и и нейтрино. Так как у электрона и нейт так как антифотон и анти- рино L = +1, а у позитрона в антинейт и антиэта-ноль-мезоны тожде- рино L = —1, то закон сохранения леп ственны с фотоном и тс -, и тонного числа выполняется лишь при В табл. 13 элементарные частицы условии, что антинейтрино возникает объединены в три группы (см. § 272): вместе с электроном, а нейтрино — с по фотоны, лептоны и адроны. Элементар- зитроном.

ные частицы, отнесенные к каждой из Основную часть элементарных частиц этих групп, обладают общими свойства- составляют адроны. К группе адронов момента импульса, зарядов (электриче относятся пионы, каоны, нук ского, лептонного и барионного), изо лоны, гипероны, а также их античас спина, странности и четности]. В про тицы (в табл. 13 приведены не все ад цессах, обусловленных слабыми взаи роны).

модействиями, не сохраняются только Адронам приписывают барионное изоспин, странность и четность.

число (барионный заряд) В. Адроны с В — 0 образуют подгруппу мезонов (пи- В последние годы увеличение чис ла элементарных частиц происходит оны, каоны, а адроны с В = + в основном вследствие расширения образуют подгруппу барионов (от греч.

группы адронов. Поэтому развитие «барис» — тяжелый;

сюда относятся работ по их классификации все время нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона 5 = 0. Если принять для бари- сопровождалось поисками новых бо онов В = для антибарионов (анти- лее фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для пост нуклоны, антигипероны) В — —1, а для роения всех адронов. Гипотеза о суще всех остальных частиц В — 0, то можно сформулировать закон сохранения ба- ствовании таких частиц, названных кварками, была высказана независи рионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемо- мо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и аме сти элементарных частиц барионное риканским физиком-теоретиком Гелл число сохраняется.

Маном.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде барио Название «кварк» заимствовано из ро на, наряду с другими частицами обя мана ирландского писателя Джойса зательно образуется Примера «Поминки по Финнегапу» (герою снится ми сохранения барионного числа явля сои, а котором чайки кричат «Три кварка ются реакции (273.1) —(273.5). Бари для мастера Марка»).

оны имеют спин, равный (только спин равен т. е. бари- Согласно модели оны, как и лептоны, являются ферми- га, все известные в то время адроны онами.

можно было построить, постулировав Странность для различных частиц существование трех типов кварков (и, подгруппы барионов имеет разные зна- d, s) и соответствующих антикварков чения (см. табл. 13). d, s), если им приписать характеристи ки, указанные в табл. 14 (в том числе Мезоны имеют спин, равный нулю, дробные электрические и барионные и, следовательно, являются бозонами заряды). Самое удивительное (почти (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе (см. § 235). Для ме- невероятное) свойство кварков связа но с их электрическим зарядом, по зонов лептонные и барионные числа скольку еще никто не находил частицы равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают S = +1, а пио- с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка ны и имеют S 0.

равен поскольку только из фермио Подчеркнем еще раз, что для процес нов можно «сконструировать» как фер сов взаимопревращаемости элементар мионы (нечетное число фермионов), ных частиц, обусловленных сильными так и бозоны (четное число фермио взаимодействиями, выполняются все нов).

законы сохранения [энергии, импульса, Таблица Адроны строятся из кварков следу ка и сохраняющейся величины — ющим образом: мезоны состоят из пары «очарования» (от англ. charm).

кварк — антикварк, барионы — из трех Подобно странности и четности, оча кварков (антибарион — из трех анти рование сохраняется в сильных и элек кварков). Так, например, пион име тромагнитных взаимодействиях, но не ет кварковую структуру ud, пион — сохраняется в слабых. Закон сохране ud, каон протон — нейт ния очарования объясняет относитель рон — udd, — uus, но долгое время жизни рон — и т. д.

Основные характеристики с-кварка Во избежание трудностей со статис- приведены в табл. 14.

тикой [некоторые барионы, например Частице приписывается кварко состоят из трех одинако- вая структура Структура называ вых кварков (sss), что запрещено прин- ется чармонием — атомоподобная сис ципом Паули;

см. § 127];

предполагают, тема, напоминающая позитроний (свя что каждый кварк (антикварк) облада- занная водородоподобная система, со ет специфической квантовой характе- стоящая из электрона и позитрона, дви ристикой — цветом: «желтым», «си- жущихся вокруг общего центра масс).

ним» и «красным». Тогда, если кварки Кварковая модель позволила опре имеют неодинаковую «окраску», прин делить почти все основные квантовые цип Паули не нарушается.

числа адронов. Например, из этой мо Углубленное изучение модели Гелл- дели, поскольку спин кварков равен Мана— Цвейга, а также открытие в 1974 г. следует целочисленный (нулевой) спин истинно нейтрального джей-пси-мезона для мезонов и полуцелый — для барио ( массой около со временем нов в полном соответствии с экспери жизни примерно с и спином, рав- ментом. Кроме того, эта модель позво ным единице, привело к введению но- лила предсказать также и новые части вого кварка — так называемого с-квар- цы, например Однако при равен — Предполагается, использовании модели возникают что существует и шестой кварк t с за и трудности. Кварковая модель не по рядом который назвали истин зволяет, например, определить массу ным (от англ. truth — истина), подоб адронов, поскольку для этого необхо но тому как с-кварк называют очаро димо знание динамики взаимодействия ванным, — прелестным. В фи кварков и их масс, которые пока неиз зике элементарных частиц введен «аро вестны.

мат» — характеристика типа кварка В настоящее время признана точка (см. табл. 14) d, s, с, b, t?), объеди зрения, что между лептонами и квар няющая совокупность квантовых чи ками существует симметрия: число сел (странность, очарование, прелесть должно быть равно числу ти и др.), отличающих один тип кварка от пов кварков. В 1977 г. был открыт другого, кроме цвета. Аромат сохраня сверхтяжелый мезон массой около ется в сильных и электромагнитных 20 который представляет собой взаимодействиях. Является ли схема структуру из кварка и антикварка но из шести лептонов и шести кварков вого типа — [является носи окончательной или же число лептонов телем сохраняющейся в сильных вза (кварков) будет расти, покажут даль имодействиях величины, названной нейшие исследования.

(от англ. beauty)]. Заряд Контрольные вопросы Какова природа первичного и вторичного космического излучений? Назовите их свой ства.

Приведите схемы распада мюонов. Чем объясняется выброс нейтрино (анти нейтрино)?

Приведите примеры распада Дайте характеристику Какие фундаментальные типы взаимодействий осуществляются в природе и как их мож но охарактеризовать? Какой из них является универсальным?

Какие законы сохранения выполняются для всех типов взаимодействий элементарных частиц?

Что является фундаментальным свойством всех элементарных частиц?

Назовите свойства нейтрино и антинейтрино. В чем их сходство и различие?

Какие характеристики являются для частиц и античастиц одинаковыми? Какие — раз ными?

Что такое странность и четность элементарных частиц? Для чего они вводятся? Всегда ли выполняются законы их сохранения?

Почему магнитный момент протона имеет то же направление, что и спин, а у электрона направления этих векторов противоположны?

Какие законы сохранения выполняются при сильных взаимодействиях элементарных частиц? при слабых взаимодействиях?

Каким элементарным частицам и почему приписывают лептонное число? барионное чис ло? В чем заключаются законы их сохранения?

Зачем нужна гипотеза о существовании кварков? Что объясняется с ее помощью? В чем ее трудность?

Почему потребовалось введение таких характеристик кварков, как цвет и очарование?

Какие имеются группы элементарных частиц? Каковы критерии, по которым элемен тарные частицы относятся к той или иной группе?

ЗАДАЧИ 33.1. Принимая, что энергия релятивистских мюонов в космическом излучении состав ляет 3 ГэВ, определите расстояние, проходимое мюонами за время их жизни, если собствен ное время жизни мюона 2,2 мкс, в энергия покоя 100 МэВ. [19,8 км] 33.2. Нейтральный пион распадается на два Принимая массу пиона равной определите энергию каждого из возникших [67,7 МэВ] 33.3. При столкновении нейтрона и антинейтрона происходит их аннигиляция, в резуль тате чего возникают два а энергия частиц переходит в энергию Опреде лите энергию каждого из возникших принимая, что кинетическая энергия нейт позитрона до их столкновения пренебрежимо мала. [942 МэВ] 33.4. Определите, какие из приведенных ниже процессов запрещены законом сохране ния лептонного числа: 1) К~ + 2) —> + 33.5. Определите, какие из приведенных ниже процессов разрешены законом сохране ния странности: 1) р + + 2) р + К~ + +п.

Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.