Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

ядра:

R = k*VM.

Здесь М — массовое число, а& = 1,5- 10~1 3 см. Формула установлена для тяжелых ядер, но нет сомнения в ее пригодности и для легких ядер. Если радиус ядра пропорционален кубическому корню из числа частиц, то объем ядра будет пропорционален первой степени числа частиц. Это обстоятельство заставляет полагать, что по край­ ней мере в грубом приближении нуклоны упакованы в ядре с одно­ родной плотностью.

Разумеется, мы не можем построить геометрическую модель атом­ ного ядра и определить траектории нуклонов в ядре, так как нук­ лоны имеют волновую природу.

В каком-то приближении можно представить себе, что каждый нуклон движется в поле всех остальных. У такого нуклона будет система энергетических уровней, которые можно заполнять после­ довательно, идя от легких ядер к более тяжелым. Наиболее низкий уровень, так же как и в случае электронов, не должен обладать вра­ щательным импульсом. В соответствии с принципом Паули на этом самом низком уровне можно расположить два нейтрона и два про­ тона, каждая пара с противоположными спинами, т. е. а-частицу. Рассматривая аналогичным образом более тяжелые ядра, удается выделить и на следующих уровнях устойчивые группы частиц. Оболочечная модель ядра оказалась очень полезной для определе­ ния ряда свойств ядер и для объяснения степени распространен­ ности изотопов.

Рассматривая состав атомных ядер, начиная от легких и идя к тяжелым, мы обращаем внимание на то, что число нейтронов в атом­ ном ядре растет быстрее числа протонов и у весьма стабильного элемента свинца на 82 протона приходится 126 нейтронов. Это возрастание числа нейтронов объясняется необходимостью уравно­

ствительно, при соблюдении этого равенства мы могли бы запол­ нять низкие уровни энергии максимальным числом частиц — ведь в одно состояние можно поместить два нейтрона и два протона согласно принципу Паули. Однако, поступая таким образом, мы слишком увеличили бы электрическое отталкивание и суммарная энергия не была бы минимальной. Очевидно, реальный случай представляет собой компромиссное решение, продиктованное двумя тенденциями. Явления Р-распада, столь широко наблюдаемые у искусственно радиоактивных элементов, представляют собой вы­ бор . оптимальной ситуации в указанном смысле. Если в ядре много протонов или много нейтронов, то положение дела по­ правляется излучением электрона или позитрона.

Разность энергетических уровней при излучении пары лептонов должна быть не меньше энергии, соответствующей массе электрона,

§ 214. Нейтрино бета-распада

Энергетический переход с выбрасыванием пары лептонов носит название В-распада. Обнаружение нейтрино является сложной экспериментальной задачей, решенной лишь в последнее десятиле­ тие. Первоначально переходы, подобные изображенному на рис. 2406, описывали как превращение (распад) одного ядра (радиоак­ тивного) в другое (устойчивое) с выбрасыванием электрона. Однако еще задолго до обнаружения нейтрино необходимость его существо­ вания стала очевидной.

Было трудно, лучше скажем невозможно, сомневаться в спра­ ведливости законов сохранения вращательного импульса и закона сохранения энергии. Действительно, нейтрон, протон, электрон и позитрон — все эти частицы имеют спин 72 - Как мы сказали, 6- распад меняет в атомном ядре протон на нейтрон или наоборот. Так как число нуклонов в ядре остается неизменным, то В-распад никак не может изменить четный спин на нечетный. А именно это и было

воречие снимается и одновременно устраняются трудности истол­ кования непрерывного спектра В-частиц.

Если бы В-распад заключался в выбрасывании лишь электрона, то этот электрон должен был бы обладать вполне определенной энер­ гией. Действительно, начальный и конечный уровни энергии, т. е. энергии первичного ядра и нового ядра, вполне определенные, значит, и энергия вылетающего электрона должна быть вполне определенной. На самом же деле наблюдается непрерывный спектр электронов, от некоторой максимальной скорости до нуля. Такая картина вполне естественна, если считать, что при распаде из ядра выбрасываются две частицы по уравнению n ^ p + e + v . Энергия распределяется между электроном и нейтрино по закону случая. Обнаружение нейтральной частицы, обладающей ничтожной массой (сейчас известно, что масса нейтрино меньше 0,002 массы электро­ на), является исключительно сложной задачей. Она была разрешена лишь в 1956 г. Заметим, что частица, получившая название нейт­ рино, в дальнейшем при открытии закона антисимметрии элемен­ тарных частиц оказалась антинейтрино и получила обозначение v (см. §§ 225, 226). Большое число актов распада нейтронов должно происходить в ядерном реакторе, где непрерывно образуется

огромное число ядерных осколков, богатых нейтронами. Поток ча­ стиц v, если они существуют, должен выходить из реактора. Если нейтрино v попадет в протон, то должна произойти реакция v + + р - ^ е + + п, т. е. при встрече нейтрино с протоном образуются позит­ рон и нейтрон. Такие реакции должны наблюдаться в мишени, со­ держащей большое число атомов водорода (т. е. протонов) и распо­ ложенной вблизи ядерного реактора. Эта реакция должна проис­ ходить крайне редко (несколько раз в час) из-за исключительной проникающей способности нейтрино. В то же время вблизи реак­ тора происходит огромное число других ядерных реакций. Труд­ ности обнаружения нейтрино очевидны.

Их преодоление возможно путем выделения специфических черт этой реакции. Возникают позитрон и нейтрон. Нам известно, что позитрон немедленно аннигилирует с электроном любого из атомоз мишени и дает два фотона. Что же касается нейтрона, то он совершит какой-то путь в мишени, а затем поглотится атомами примеси (кад­ мий), которые можно специально ввести в мишень. Мы можем рас­ считать среднее время его торможения до поглощения — оно равно примерно 5 мкс. При поглощении нейтрона кадмием также возни­ кает у-излучение. Задача экспериментатора заключается в том, что­ бы из всех событий средствами современной измерительной техники выделить последовательность явлений: одновременное возникно­ вение двух фотонов и следующий через 5 мкс более сильный им­ пульс у-излучения. Эта задача была успешно выполнена, и таким образом, доказано существование нейтрино.

§215 . Общие закономерности химических и ядерных превращений

Мы остановимся сейчас на некоторых общих энергетических соображениях, одинаково применимых как для химических реак­ ций, так и для превращений атомных ядер или других частиц.

Превращение частиц может произойти только тогда, когда эти частицы сблизятся вплотную. Так как для того, чтобы превра­ щение произошло, частицы должны принести с собой некоторую кинетическую энергию, то термин «столкновение» вполне оправ­ дан. Не каждая встреча частиц ведет за собой превращение. Ме­ ханизм превращений как химических, так и ядерных очень трудно изучать. Непосредственные наблюдения здесь невозможны и при­ ходится ограничиваться предположениями, справедливость кото­ рых можно проверять по следствиям.

В случае химических превращений большую роль должно играть взаимное расположение молекул при столкновении. Чтобы реак­ ция произошла, надо, чтобы молекулы подошли друг к другу в по­ ложении, удобном для перегруппировки атомов.

Для каждого превращения, осуществляемого в массовых масштабах (как это обычно и бывает в химических и ядерных