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

не исчерпывает условия превращения. Поскольку частица устой­ чиво существует и, следовательно, обладает минимумом потенциаль­ ной энергии, необходимо подвести к ней при столкновении некото­ рую энергию, достаточную для подъема молекулы на борт потен­ циальной ямы, в которой она находится. Эта минимально необхо­

Принято особо рассматривать две столкнувшиеся частицы в тот момент, когда потенциальная энергия, находится в максимуме. Такой активированный комплекс (так говорят в химии) или проме­ жуточное ядро (так говорят при изучении ядерных превращений) существует недолгие мгновения. Образовавшаяся система может обратно «свалиться» в потенциальную яму, но может и «перевалить» через борт. В последнем случае превращение произошло и возникла новая система, обладающая новой потенциальной энергией.

Как при химических, так и при ядерных превращениях образо­ вавшаяся система может быть одной новой частицей (реакция при­ соединения); может также произойти образование двух новых частиц из двух старых.

Если потенциальная энергия образовавшихся частиц будет больше потенциальной энергии исходных частиц (глубина кратера вулкана глубже подножия горы), то превращение идет с поглоще­ нием энергии. Поглощенное тепло будет равно разности энергии ак-

тивации и энергии продуктов реакции (рис. 242). Если энергия обра­ зовавшихся частиц будет меньше энергии исходных, то затрата небольшой энергии активации приведет к выделению большой энергии.

И в химии, и в ядерной физике мы сталкиваемся с превращениями обоих типов. Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзо­ термическими, с поглощением тепла — эндотермическими.

Зачастую превращения (и химическое, и ядерное) сопровожда­ ются излучением. Однако, как правило, основной энергетический

вращений не бросается в глаза. Действительно, энергии актива­ ции атомных ядер суть величины порядка нескольких МэВ. Повышение же температуры на 3000° увеличит энергию атомного ядра всего лишь на 0,4 эВ.

Ядерные превращения могут быть убыстрены лишь повышением

Радиоактивный распад является простейшей ядерной реакцией.

где Эл — символ какого-либо химического элемента. Эта реакция распада, как и другие ядерные реакции, которые мы рассмотрим на стр. 530, подчиняется закону сохранения заряда (сумма нижних индексов в правой части равенства должна равняться Z) и закону сохранения массового числа (сумма верхних индексов).

У родоначальников естественных радиоактивных рядов периоды лежат в пределах 108 — 1010 лет. С другой стороны, промежуточные продукты распада, а также искусственные радиоактивные элементы могут иметь периоды, составляющие ничтожные доли секунды.

Количество радиоактивного вещества можно было бы, разуме­ ется, выразить в граммах. Однако проще и удобнее характеризовать массу радиоактивного вещества его активностью — числом актов

ной практики эта единица велика и часто пользуются ее тысячной

Если период Т известен, то нетрудно подсчитать начальную радиоактивность вещества. Доля вещества, распадающегося за 1 с, равна

или, так как X — малое число,

Если речь идет об m граммах вещества с атомным весом А, то его активность найдется по формуле

Принято считать, что за сто дней работы ядерного реактора (см. ниже) в нем образуются радиоактивные продукты в количестве 1 кюри на 1 Вт. Количество продуктов распада равно примерно 500 г на 500000 кВт, т. е. Ю - 6 г на 1 Вт. Сред­ ний атомный вес продуктов деления примем за 100; тогда по написанной выше формуле найдем средний период распада радиоактивных продуктов равным 105 с, т. е. около суток.

Указания периода и активности еще недостаточно для описания свойств радиоактивного вещества. Необходимо указать, является ли вещество а- или 6-излучателем, сопровождается ли распад у- излучением. Для еще более точной характеристики нужны данные об энергии выбрасываемых из ядра частиц и выделяющегося излу­ чения. Свойства а-частиц, излучаемых различными радиоактивными материалами, колеблются в незначительной степени. Их начальные скорости лежат в пределах 15 000—20 000 км/с; число пар ионов, образуемых а-частицей в воздухе, лежит в пределах (1-=-2)-105. Энергии Р-частиц, выбрасываемых при распаде, непрерывно распре­ делены в пределах от нуля до сотен или тысяч килоэлектрон-вольт. Энергия у-лучей также различна у разных радиоактивных веществ, однако порядок величины этой энергии одинаков для всех эле­ ментов.

Альфа-распад представляет собой просачивание а-частицы через потенциальный барьер с последующим электростатическим оттал­ киванием. Вид потенциальной кривой ядра изображен на рис. 243. Имеется потенциальная яма, барьер, а за барьером спад электроста­

по рассеянию а-частиц ядрами этого элемента, что высота потен­ циального барьера во всяком случае выше 9 МэВ. В то же время

частицы, имеющие энергию всего лишь 4 МэВ, вылетают из ядра путем туннельного перехода.

Указанная картина делает по­ нятной огромные вариации во вре­ мени полураспада различных ра­ диоактивных элементов. Достаточно незначительного изменения разни­ цы между энергией а-частицы в ядре и высотой потенциального барьера, чтобы вероятность проса­ чивания а-частицы резко возросла (ср. формулу на стр. 452).

тием, никак не отражающимся на поведении других ядер. Все ядра обладают одинаковыми вероят­ ностями распада. Положим, что через время t половина ядер распа­ лась. Но оставшаяся половина находится в тех же условиях, что и первоначальное собрание атомов, и, следовательно, половина от оставшейся половины распадается за то же самое время. Незави­ симость распада каждого отдельного ядра от поведения его соседей приводит к утверждению: в данный промежуток времени At будет всегда распадаться одинаковая доля от наличного количества ато­ мов AN/N.

Это утверждение записывается в виде

ANN =—ш,

что после интегрирования и дает экспоненциальный закон рас­ пада.

Полезно запомнить, что столь частые встречи в курсе физики с экспоненциальным законом и происходят по той причине, что он представляет собой математическое выражение убывания по рас­ пространенному правилу: при одинаковых изменениях аргумента функция убывает на одинаковые доли своей величины.