Курс физики для вузов - часть 124

импульс не зависит от

 иони-

зации. Счетчики Гейгера
регистрируют частицу без измерения ее

энергии.

Коэффициент усиления этих счет-

чиков составляет 10

8

. Для регистрации

раздельных импульсов возникший раз-
ряд следует гасить. Для этого, напри-
мер, последовательно с нитью включа-
ется такое сопротивление, чтобы воз-
никший в счетчике разряд вызывал на
сопротивлении падение напряжения,
достаточное для прерывания разряда.

Временное разрешение счетчиков Гей-

гера — Мюллера составляет

 с.

Для газоразрядных счетчиков эф-

фективность регистрации равна при-
мерно 100 % для заряженных частиц и
примерно 5 % для

5. Полупроводниковый счетчик —

это детектор частиц, основным элемен-
том которого является полупроводни-
ковый диод (см. § 250). Время разреше-
ния составляет примерно

 с. Полу-

проводниковые счетчики обладают вы-
сокой надежностью, могут работать в
магнитных полях. Малая толщина ра-
бочей области (порядка сотни микро-
метров) полупроводниковых счетчиков
не позволяет применять их для измере-
ния высокоэнергетических частиц.

6. Камера Вильсона

1

 — это

старейший и на протяжении многих
десятилетий (вплоть до 50 — 60-х годов)
единственный тип трекового детектора.

Выполняется обычно в виде стеклянно-

го цилиндра с плотно прилетающим
поршнем. Цилиндр наполняется нейт-

ральным газом (обычно гелием или ар-

гоном), насыщенным парами воды или
спирта. При резком, т.е. адиабатном,
расширении газа пар становится пере-
сыщенным и на траекториях частиц,

 Ч.Вильсон

 фи-

зик.

пролетевших через камеру, образуются
треки из тумана. Образовавшиеся тре-
ки для воспроизводства их простран-
ственного

 я фотографиру-

ются стереоскопически, т. е. под разны-
ми углами. По характеру и геометрии
треков можно судить о

 прошедших

через камеру частиц (например,
тица оставляет сплоил

 жирный след,

 — тонкий), об

 частиц

(по величине пробега), о плотности
ионизации (по количеству капель на
единицу длины трека), о количестве
участвующих в

 частиц.

Российский ученый Д.В.Скобель-

цын (1892 — 1990) значительно расши-

рил возможности камеры Вильсона,
поместив ее в сильное магнитное поле

(1927). По искривлению траектории

заряженных частиц в магнитном поле,
т.е. по кривизне трека, можно судить о
знаке заряда, а если известен тип час-
тицы (ее заряд и масса), то

 радиусу

кривизны трека можно определить
энергию и массу частицы даже в том
случае, если весь трек в камере не уме-
щается (для реакций при
гиях вплоть до сотен мегаэлектрон-
вольт).

Недостаток камеры Вильсона — ее

малое рабочее время, составляющее при-
мерно 1 % от времени, затрачиваемого

для подготовки камеры к последующе-
му расширению (выравнивание темпе-
ратуры и давления, рассасывание остат-
ков треков, насыщение паров), а также
трудоемкость обработки результатов.

7. Диффузионная камера (1936) —

это разновидность камеры Вильсона.

В ней рабочим

 также явля-

ется пересыщенный пар, но состояние
пересыщения создается диффузией па-
ров спирта от нагретой (до 10 °С) крыш-
ки ко дну, охлаждаемому (до —60 °С)

твердой углекислотой. Вблизи дна воз-
никает слой пересыщенного пара тол-

495

 примерно 5 см, в котором про-

ходящие заряженные частицы создают
треки. В отличие от
диффузионная камера работает непре-
рывно. Кроме того, из-за отсутствия
поршня в ней могут создаваться давле-
ния до 4

 что значительно увели-

чивает ее эффективный объем.

8. Пузырьковая камера [1952; аме-

риканский физик Д. Глезер (р. 1926)].

В пузырьковой камере рабочим веще-
ством является перегретая (находяща-

яся под давлением) прозрачная жид-

кость (жидкие водород, пропан, ксе-
нон).

Запускается камера, так же как и ка-

мера Вильсона, резким сбросом давле-
ния, переводящим жидкость в неустой-

чивое перегретое состояние. Пролета-
ющая в это время через камеру заря-
женная частица вызывает резкое вски-

пание жидкости, и траектория частицы
оказывается обозначенной цепочкой
пузырьков пара — образуется трек, ко-
торый, как и в камере Вильсона, фото-
графируется. Пузырьковая камера ра-
ботает циклами.

Размеры пузырьковых камер при-

мерно такие же, как камеры Вильсона
(от десятков сантиметров до 2 м), но их
эффективный объем на 2 — 3 порядка
больше, так как

 гораздо плот-

нее газов. Это позволяет использовать
пузырьковые камеры для исследования

длинных цепей рождений и распадов
частиц высоких энергий.

9. Ядерные фотоэмульсии [1927;

российский физик

 В.

(1888—1939)] — это простейший тре-
ковый детектор заряженных частиц.

Прохождение заряженной частицы в

эмульсии вызывает ионизацию, приво-
дящую к образованию центров скрыто-
го изображения. После проявления сле-
ды заряженных частиц обнаруживают-
ся в виде

 зерен металлического

серебра. Так как эмульсия — среда бо-
лее плотная, чем газ или жидкость, ис-
пользуемые в вильсоновской и пузырь-
ковой камерах, то при прочих равных
условиях длина трека в эмульсии более
короткая. Так, трек длиной 0,05 см в
эмульсии эквивалентен треку в 1 м в

камере Вильсона. Поэтому фотоэмуль-
сии применяются для изучения реак-
ций, вызываемых частицами в ускори-
телях сверхвысоких энергий и в косми-
ческих лучах. При исследовании высо-
коэнергетических частиц используют-
ся также так называемые стопы —
большое число маркированных
эмульсионных пластинок, помещаемых
на пути частиц и после проявления про-
меряемых иод микроскопом. В настоя-

щее время методы наблюдения и реги-
страции заряженных частиц и излуче-
ний настолько разнообразны, что их
описание выходит за рамки курса.

Большое значение начинают играть

сравнительно новые (1957) приборы —

искровые камеры, использующие пре-
имущества счетчиков (быстрота регис-
трации) и трековых детекторов (пол-

нота информации о треках). Говоря об-

разно, искровая камера — это набор

большого числа очень мелких счетчи-
ков. Поэтому она близка к счетчикам,
так как информация в ней выдается не-
медленно, без последующей обработки,
и в то же время обладает свойствами
трекового детектора, так как по дей-
ствию многих счетчиков можно устано-
вить треки частиц.

§ 262. Ядерные реакции

и их основные типы

Ядерные реакции ~ это превраще-

ния атомных ядер при взаимодействии
с элементарными частицами (в том чис-
ле и с

 или друг с другом.

Наиболее распространенным видом

ядерной реакции является реакция, за-
писываемая символически следующим

образом:

где X и Y — исходное и конечное ядра;

 Ь — бомбардирующая и испускаемая

(или испускаемые) в ядерной реакции

частицы.

В ядерной физике эффективность

взаимодействия характеризуют эф-
фективным сечением о. С каждым ви-

дом взаимодействия частицы с ядром

связывают свое эффективное сечение:
эффективное сечение рассеяния опре-
деляет процессы рассеяния, эффектив-
ное сечение поглощения — процессы
поглощения. Эффективное сечение
ядерной реакции

где N— число частиц, падающих за еди-
ницу времени на единицу площади по-
перечного сечения вещества, имеюще-
го в единице объема

 diV — число

этих частиц, вступающих в ядерную
реакцию в слое толщиной da;.

Эффективное сечение а имеет раз-

мерность площади и характеризует ве-
роятность того, что при падении пучка
частиц на вещество произойдет реакция.

Единица эффективного сечения

ядерных процессов — барн (1 барн =

= Ю-

28

 м

2

).

В любой ядерной реакции выполня-

ются законы сохранения зарядовых и

массовых чисел: сумма зарядовых чисел

(и сумма массовых чисел) ядер и час-

тиц, вступающих в ядерную реакцию,

равна сумме зарядовых чисел (и сумме
массовых чисел) конечных продуктов
(ядер и частиц) реакции. Выполняют-

ся также законы сохранения энергии,
импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распа-

да, который протекает всегда с выделе-

нием энергии, ядерные реакции могут
быть как экзотермическими (с выде-
лением энергии), так и эндотермиче-
скими (с поглощением энергии).

Важную роль в объяснении механиз-

ма многих ядерных реакций сыграло
предположение Н.Бора (1936) о том,
что ядерные реакции протекают в две
стадии по следующей схеме:

(262.1)

Первая стадия — это захват ядром X

частицы а, приблизившейся к нему на
расстояние действия ядерных сил (при-
мерно 2 •

 м), и образование проме-

жуточного ядра С, называемого со-

ставным (или компаунд-ядром).

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-
ставного ядра один из нуклонов (или их
комбинация, например дейтрон — ядро

тяжелого изотопа водорода — дейтерия,
содержащее один протон и один нейт-
рон) или

 может получить

энергию, достаточную для вылета из
ядра. В результате возможна вторая ста-
дия ядерной реакции — распад состав-
ного ядра на ядро Y и частицу Ъ.

В ядерной физике вводится харак-

терное ядерное время — время, необ-
ходимое для пролета частицей рассто-
яния порядка величины, равной диа-
метру ядра

 10~

15

 м). Так, для час-

тицы с энергией 1 МэВ (что соответ-
ствует ее скорости v

 м/с) харак-

терное ядерное время т =

10' м/с

=

 с.

С другой стороны, доказано, что вре-

мя жизни составного ядра равно

 с, т. е. составляет

 Это

1  Курс физики

497

же означает, что за время жизни состав-

ного ядра может произойти очень мно-
го столкновений нуклонов между со-
бой, т.е. перераспределение энергии
между нуклонами действительно воз-
можно. Следовательно, составное ядро
живет настолько долго, что полностью

«забывает», каким образом оно образо-

валось. Поэтому характер распада со-
ставного ядра (испускание им части-
цы

 — вторая стадия ядерной реак-

ции — не зависит от способа образова-
ния составного ядра — первой стадии.

Если испущенная частица тожде-

ственна с захваченной

 то схема

(262.1) описывает рассеяние частицы:

упругое — при

 —

 неупругое —

 Если же испущенная час-

тица не тождественна с захваченной

(b  а), то имеем дело с ядерной реак-
цией в прямом смысле слова.

Некоторые реакции протекают без

образования составного ядра, они назы-
ваются прямыми ядерными взаимо-
действиями (например, реакции, вы-
зываемые быстрыми нуклонами и дей-
тронами).

Ядерные реакции классифицируют-

ся по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них час-

тиц — реакции под действием нейтро-
нов; реакции под действием заряжен-
ных частиц (например, протонов, дейт-
ронов,

 реакции под действи-

ем

2) по энергии вызывающих их час-

тиц — реакции при малых энергиях

(порядка электрон-вольт), происходя-

щие в основном с участием нейтронов;
реакции при средних энергиях (до не-
скольких мегаэлектрон-вольт), проис-
ходящие с участием

 и заря-

женных частиц (протоны,
реакции при высоких энергиях (сотни

и тысячи мегаэлектрон-вольт), приво-

дящие к рождению отсутствующих в

§263. Позитрон.

Электронный захват

П.Дираком было получено (1928)

релятивистское квантовомеханическое

уравнение для электрона, которое по-

зволило без каких-либо дополнитель-
ных предположений объяснить все ос-
новные свойства электрона, в том чис-
ле наличие у него спина и магнитного
момента. Замечательной особенностью
уравнения Дирака оказалось то, что из

него для полной энергии свободного
электрона получались не только поло-

жительные, но и отрицательные значе-

ния. Этот результат мог быть объяснен
лишь предположением о существова-
нии античастицы электрона — позит-

рона.

Гипотеза Дирака, недоверчиво вос-

принимавшаяся большинством физи-
ков, была блестяще подтверждена в

498

свободном состоянии элементарных ча-
стиц и имеющее большое значение для
их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер —

реакции на легких ядрах (А < 50); ре-
акции на средних ядрах (50 < А < 100);
реакции на тяжелых ядрах

 > 100);

4) по характеру происходящих ядер-

ных превращений — реакции с испуска-
нием нейтронов; реакции с испускани-

ем заряженных частиц; реакции захва-

та (в этих реакциях составное ядро не

испускает никаких частиц, а переходит
в основное состояние, излучая один или
несколько

Первая в истории ядерная реакция

осуществлена Э. Резерфордом (1919)
при бомбардировке ядра азота
цами, испускаемыми радиоактивным
источником: