Курс физики для вузов - часть 125

1932 г. К.Андерсоном

1

 (Нобелевская

премия 1936 г.), обнаружившим позит-
рон в составе космического излучения.

Существование позитронов было

доказано наблюдением их треков в ка-

мере Вильсона, помещенной в магнит-
ное поле. Эти частицы в камере откло-
нялись так, как отклоняется движу-
щийся положительный заряд. Опыты
показали, что позитрон

 — частица с

массой, в точности равной массе элект-
рона, и спином

 единицах

 несу-

щая положительный электрический за-

Жолио-Кюри — Фредерик (1900 —

1958) и Ирен (1897-1956), бомбарди-

руя различные ядра

 (1934),

обнаружили искусственно-радиоактив-
ные ядра (см. § 255), испытывающие

 а реакции на В, А1 и Mg при-

вели к искусственно-радиоактивным

ядрам, претерпевающим

 -распад,

или позитронный распад:

(Нобелевская премия 1956 г.) Наличие

в этих реакциях позитронов доказано
при изучении их треков в камере Виль-
сона, помещенной в магнитное поле.

Таким образом, в экспериментах

Жолио-Кюри, с одной стороны, откры-
та искусственная радиоактивность, а с
другой — впервые обнаружен позитрон-
ный радиоактивный распад.

Энергетический

 как и

 (см. § 258), непрерывен.

 подчиняется следующему

правилу смещения:

Процесс

 протекает так,

как если бы один из протонов ядра пре-
вратился в нейтрон, испустив при этом
позитрон и нейтрино:

(263.1)

причем одновременный выброс нейтри-
но вытекает из тех же соображений, ко-
торые излагались при обсуждении
распада (см. § 258). Так как масса про-
тона меньше, чем у нейтрона, то реакция

(263.1) для свободного протона наблю-

даться не может. Однако для протона,
связанного в ядре благодаря ядерному
взаимодействию частиц, эта реакция
оказывается энергетически возможной.

Вскоре после опытов К.Андерсона,

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

 К. Андерсон (1905 —

 —

физик.

Электронно-позитронные пары были

действительно обнаружены в помещен-

ной в магнитное поле камере Вильсона,
в которой электрон и позитрон, имею-
щие противоположные по знаку заряды,
отклонялись в противоположные сторо-
ны. Для выполнения соотношения
(263.2) помимо соблюдения законов со-
хранения энергии и импульса необходи-
мо, чтобы фотон обладал целым спином,
равным 0 или 1, поскольку спины элек-
трона и позитрона равны

 экспе-

риментов и теоретических выкладок
привели к выводу, что спин фотона дей-
ствительно равен 1 (в единицах

499

При столкновении позитрона с элек-

троном происходит их аннигиляция:

(263.3)

в ее процессе
пара превращается в два

 при-

чем энергия пары переходит в энергию

фотонов. Появление в этом процессе
двух

 следует из закона сохра-

нения импульса и энергии.

Реакция (263.3) подтверждена пря-

мыми экспериментами под руковод-
ством российского ученого Л. А. Арци-

 Процессы (263.2)

и

 возникновения и

 электронно-позитронных

пар — являются примером взаимосвязи

различных форм материи: в этих про-

цессах материя в форме вещества пре-
вращается в материю в форме электро-
магнитного поля, и наоборот.

Для многих ядер превращение про-

тона в нейтрон, помимо описанного
процесса (263.1), происходит посред-

ством электронного захвата, или

е-захвата, при котором ядро спонтан-

но захватывает электрон с одной из
внутренних оболочек атома

 L и т. д.),

испуская нейтрино:

Необходимость появления нейтри-

но вытекает из закона сохранения спи-
на. Схема е-захвата:

т.е. один из протонов ядра превраща-
ется в нейтрон, заряд ядра убывает на
единицу и оно смещается влево так же,
как и при позитронном распаде.

Электронный захват обнаруживает-

ся по сопровождающему его характери-
стическому рентгеновскому излуче-
нию, возникающему при заполнении
образовавшихся вакансий в электрон-
ной оболочке атома (именно так е-зах-

ват и был открыт в 1937 г.). При е-зах-
вате, кроме нейтрино, никакие другие

частицы не вылетают, т.е. вся энергия
распада уносится нейтрино. В этом

е-захват (часто его называют третьим

видом

 существенно отлича-

ется от

 при которых выле-

тают две частицы, между которыми и
распределяется энергия распада. При-
мером электронного захвата может слу-
жить превращение радиоактивного ядра
бериллия

 в стабильное ядро

§ 264. Открытие нейтрона.

Ядерные реакции

под действием нейтронов

Нейтроны, являясь электрически

нейтральными частицами, не испытыва-
ют кулоновского отталкивания и поэто-
му легко проникают в ядра и вызывают
разнообразные ядерные превращения.

Изучение ядерных реакций под действи-
ем нейтронов не только сыграло огром-
ную роль в развитии ядерной физики,
но и привело к появлению ядерных ре-
акторов (см. § 267). Краткая история от-
крытия нейтрона такова. Немецкие
физики В. Боте (1891 - 1957) и Г. Бек-
кер в 1930 г., облучая ряд элементов, в
частности ядра бериллия,
обнаружили возникновение излучения
очень большой проникающей способ-
ности. Так как сильно проникающими
могут быть только нейтральные части-
цы, то было высказано предположение,
что обнаруженное излучение — жесткие

 с энергией примерно 7 МэВ

(энергия рассчитана по поглощению).

Дальнейшие эксперименты (Ирен и

Фредерик Жолио-Кюри, 1931 г.) пока-

зали, что обнаруженное излучение, вза-

имодействуя с водородосодержащими

500

соединениями, например парафином,
выбивает протоны с пробегами пример-
но 26 см. Из расчетов следовало, что для

получения протонов с такими пробега-
ми предполагаемые

 должны

были обладать фантастической по тем
временам энергией 50 МэВ вместо рас-

четных 7 МэВ!

Пытаясь найти объяснение описан-

ным экспериментам, английский физик

Д.Чэдвик (1891 — 1974) предположил

(1932), а впоследствии доказал, что но-
вое проникающее излучение представ-

ляет собой не

 а поток тяже-

лых нейтральных частиц, названных им
нейтронами. Таким образом, нейтро-
ны были обнаружены в следующей
ядерной реакции:

Эта реакция не является единственной,

ведущей к выбрасыванию из ядер нейт-
ронов (например, нейтроны возникают
в реакциях

 (а, га)

 и

 (а, га)

Характер ядерных реакций под дей-

ствием нейтронов зависит от их скорос-
ти (энергии). В зависимости от энергии

нейтроны условно делят на две группы:

медленные и быстрые. Область энер-

гий медленных нейтронов включает в
себя область ультрахолодных (с энер-
гией до

 эВ), очень холодных

 эВ), холодных

 эВ),

тепловых

 0,5 эВ) и резонанс-

ных (0,5

 эВ) нейтронов. Ко второй

группе можно отнести быстрые (10

4

10

8

 эВ), высокоэнергетичные (10

8

 —

10

10

 эВ)  релятивистские

 эВ)

нейтроны.

Замедлить нейтроны можно пропус-

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,

пока их энергия не станет равной, на-

пример, энергии теплового движения
атомов вещества замедлителя, т. е. рав-
ной приблизительно

Медленные нейтроны эффективны

для возбуждения ядерных реакций, так

как они относительно долго находятся
вблизи атомного ядра. Благодаря это-
му вероятность захвата нейтрона ядром
становится довольно большой. Однако
энергия медленных нейтронов мала,
потому они не могут вызывать, напри-
мер, неупругое рассеяние. Для медлен-
ных нейтронов характерны упругое рас-
сеяние на ядрах [реакция типа (га, га)] и
радиационный захват [реакция типа

 Реакция

 приводит к обра-

зованию нового изотопа исходного ве-

щества:

например

Часто в результате

 -реакции об-

разуются искусственные радиоактивные
изотопы, дающие, как правило,

пад. Например, в результате реакции

образуется радиоактивный изотоп
претерпевающий

 с образова-

нием стабильного изотопа серы:

Под действием медленных нейтро-

нов на некоторых легких ядрах наблю-

даются также реакции захвата нейтро-
нов с испусканием заряженных час-
тиц — протонов и

 (под дей-

ствием тепловых нейтронов):

(используется для обнаружения нейт-

ронов)

501

(используется для получения трития,
в частности в термоядерных взрывах;
см. § 268).

Реакции типа (п,р)  (п, а), т.е. ре-

акции с образованием заряженных ча-
стиц, происходят в основном под дей-
ствием быстрых нейтронов, так как в
случае медленных нейтронов энергии
атомного ядра недостаточно для пре-

одоления потенциального барьера, пре-
пятствующего вылету протонов и
стиц. Эти реакции, как и реакции ради-
ационного захвата, часто ведут к обра-
зованию

 ядер.

Для быстрых нейтронов наблюдает-

ся неупругое их рассеяние, совершаю-
щееся по схеме

где вылетающий из ядра нейтрон обо-
значен как

 поскольку это не тот ней-

трон, который проник в ядро;

 имеет

энергию, меньшую энергии

 а оста-

ющееся после вылета нейтрона ядро на-
ходится в возбужденном состоянии (от-
мечено звездочкой), поэтому его пере-
ход в нормальное состояние сопровож-
дается испусканием

Когда энергия нейтронов достигает

значений 10 МэВ, становятся возмож-
ными реакции типа

 Например,

в результате реакции

образуется

 изотоп

претерпевающий распад по схеме

§ 265. Реакция деления ядра

К началу 40-х годов работами многих

ученых — Э. Ферми (1901 - 1954) (Ита-
лия), О.Гана (1879-1968), Ф.Штрас-

 (1902-1980) (Германия), О.Ф-

риша (1904— 1979)(Великобритания),
Л.Мейтнер (1878-1968) (Австрия),

Г. Н.Флерова

 Петр-

жака (Россия) — было доказано, что
при облучении урана нейтронами обра-
зуются элементы из середины Перио-
дической системы — лантан и барий.

Этот результат положил начало ядер-

ным реакциям совершенно нового
типа

 деления

 заклю-

чающимся в том, что тяжелое ядро под
действием нейтронов, а как впослед-
ствии оказалось и других частиц, делит-
ся на несколько более легких ядер (ос-
колков), чаще всего на два ядра, близ-

ких по массе.

Замечательной особенностью деле-

ния ядер является то, что оно сопровож-

дается испусканием двух-трех вторич-

ных нейтронов, называемых нейтрона-

ми деления. Так как для средних ядер
число нейтронов примерно равно числу

протонов ( —  1), а для тяжелых ядер
число нейтронов значительно превы-
шает число протонов ( —  1,6), то об-

ZJ

разевавшиеся осколки деления пере-
гружены нейтронами, в результате чего
они и выделяют нейтроны деления.

Однако испускание нейтронов деле-

ния не устраняет полностью перегруз-
ку ядер-осколков нейтронами. Это при-
водит к тому, что осколки оказывают-
ся радиоактивными. Они могут претер-

петь ряд

 сопровож-

даемых испусканием

 Так как

 сопровождается превращени-

ем нейтрона в протон [см. (258.1)], то
после цепочки

 соотно-

шение между нейтронами и протонами
в осколке достигнет величины, соответ-
ствующей стабильному изотопу. На-
пример, при делении ядра урана

(265.1)

502