Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

Сделать презентацию

Скачать файл (10,99Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 22.11.2019

Просмотров: 18992

Скачиваний: 11

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

певного елемента, виносять різну енергію

аж до значення

тах

, але енергія частинок,

які вилітають, завжди менша від різниці
енергій ядер до і після Р -розпаду.

Неперервність енергетичного спектра

електронів при р-розпаді зображено на ^тх Е
рис. 25.8. Як видно з рисунка, неперервна

Рис

2 5 , 8

крива розподілу за енергіями числа

електронів, які покинули ядро, об-

ривається на межі

За правилом зміщення масове число ядра ири розпаді не змінюється:

хг

2 + Г

—1е

Як видно з (25.8), при Р -розпаді хімічний елемент переміщується на одну

клітинку вправо в періодичній системі Менделєєва. Якщо масове число не
змінюється, то не повинен змінюватись і сумарний спін усіх нуклонів у ядрі,
але електрон, що має спін ±1/2, змінює спін ядра. Проте при р-розпаді
спін ядра не змінюється. Аналізуючи дослідні дані, В. Паулі припустив, що

разом з електроном з ядра мас вилітати ще одна частинка V, яка

дістала назву нейтрино.

Вона не має заряду і маси спокою, але повинна мати спін, що дорівнює

спіну електрона ±1/2. Якщо електрон і нейтрино вилітають з ядра одно-

часно, то їх спіни орієнтовані у взаємно протилежних напрямах, тому су-
марний спін ядра не змінюється.

Гіпотеза про виникнення нейтрино пояснює і неперервність енергетич-

ного спектра електронів при Р-розпаді. Розподіл енергії між електроном і
нейтрино має статистичний характер. Отже,

+ Е

= Е

тах

Таким чином, неперервний енергетичний спектр має бути обмежений

з боку великих значень енергії (рис. 25.8).

Протон-нейтронна будова ядра виключає можливість вилітання з ядра

електронів, оскільки їх в ядрі немає. Тому теоретичне тлумачення р-роз-

паду тривалий час було важким завданням ядерної фізики. Вихід із ста-
новища, що склалося, запропонував Е. Фермі.

За гіпотезою Е. Фермі, який розробив теорію р-розпаду,

в ядрі можливі взаємні перетворення нуклонів, внаслідок яких

виникають електрони і антинейтрино* V -частинка, яка не має маси

спокою і електричного заряду.

Після відкрита позитрона і здійснення штучних перетворень атомних ядер, які супроводяться

інмптронним р

-розпадом, було встановлено, що нейтральною частинкою, яка бере участь у цьому

І» мііаді, є нейтрино, а в електронному розпаді бере участь й античастинка - антинейтрино.

) Фі:шка

585

Такий процес зумовлений особливим типом взаємодії -

слабкою взає-

модією:

1 0

п - > \ р + ^ е * V.

(25.9)

Ці перетворення супроводяться виділенням енергії, оскільки маса ней-

трона більша від маси протона» Часто Р -розпад супроводиться випускан-
ням у -випромінювання, яке виникає при переході дочірнього ядра, що

утворюється при у -розпаді, із збудженого в нормальний стан.

При проходженні (3-частинок через речовину вони втрачають свою

енергію на іонізацію і гальмівне випромінювання.

§ 250. Гамма-випромінювання, Позитрон

Гамма-випромінювання відкрив П. Віллар у 1900 р< Опромі-

нюючи а - і р -частинками свинець, Віллар виявив залишкове випромі-
нювання, яке проявляло слабку іонізуючу дію і не відхилялось у магніт-
ному полі; його назвали у -випромінюванням. Проникна здатність цього
випромінювання була вища, ніж у найбільш жорсткого рентгенівського
випромінювання.

Гамма-випромінювання, як і рентгенівське, - це електромагнітне ви-

промінювання, вони відрізняються одне від одного тільки своїм поход-
женням і енергією» Якщо рентгенівське випромінювання випускається
при збудженні або віддаленні орбітальних електронів або гальмуванні
швидких електронів, то у -випромінювання виникає при ядерних пере-
твореннях»

У процесі у -випромінювання виділяється енергія збудження ядра.

Ядро може перейти в збуджений стан внаслідок радіоактивного розпаду

або штучно спричинених ядерних перетворень. Гамма-випромінювання,
яке виникає ери певній ядернім реакції, утворене квантами однієї енергії
або групою квантів з дискретними значеннями енергії. Найчастіше у -ви-
промінювання ядер має енергію в діапазоні від кількох кілоелектрон-
вольт до кількох мегаелектрон-вольт.

Якщо у -випромінювання проходить через речовину, то інтенсивність

початкового пучка послаблюється. Це послаблення інтенсивності є
результатом взаємодії у -квантів з електронами і атомами речовини, через

яку вони проходять, Практично найістотніші три процеси взаємодії у -ви-
промінювання з речовиною: фотоефект, комптонівське розсіяння і утво-
рення пар.

586

Фотоефект

Фотоефектом

називають такий процес взаємодії у -кванта з

речовиною, при якому у -квант зникає, повністю передаючи свою енер-

гію та імпульс електрону й атому. При цьому електрон викидається за
межі атома. Фотоефект найбільш можливий тоді, коли енергія у -кванта

близька до значення роботи виходу електрона з речовини. Послаблення
випромінювання внаслідок фотоефекту має основне значення при малих
енергіях (Е

< 1 МеВ).

Фотоефект можливий лише на зв'язаному і не може відбуватися

па вільному електроні.

Комптонівське розсіяння

Крім фотоефекту, при якому у -квант перестає існувати, вза-

ємодія у -випромінювання з середовищем може спричинити їх розсіяння,
тобто їх відхилення від початкового напряму (рис. 25.9). Якщо у -кванти

мають значну (понад 1 МеВ) енергію

пч)'<Ьч

/IV, то, потрапляючи в речовину, ВОНИ

можуть розсіюватись на вільних або слаб-
розв'язаних електронах речовини, від-

-\т* •-{е

даючи частину своєї енергії цим елект- " "

ронам і змінюючи напрям свого поши- \ ^
рення, при цьому

ЗМІНЮЄТЬСЯ

довжина

хвилі розсіяного у-кванта (//V'). Зміна

Рис. 25.9

довжини хвилі внаслідок розсіяння залежить лише від кута розсіяння 6 і

не залежить від довжини хвилі падаючого кванта і від роду розсіюючої
речовини. Електрон, на якому розсіюється у -квант, дістає енергію, що

дорівнює різниці енергій падаючого і розсіяного квантів

(//V

ЙУ

').

Утворення пар

При вищих значеннях енергії у -випромінювання спостеріга-

ються утворення пар. За сучасною теорією, падаючий у-квант повністю
поглинається в області кулонівського поля ядра, внаслідок чого виникає
пара частинок: електрон і позитрон Можливість існування по-

587

зитрона передбачив П. Дірак за два роки до його відкриття. Він довів мож-
ливість утворення пари електрон-позитрон з фотона. Експериментально
позитрон виявив К. Андерсон у 1932 р. в процесі вивчення складу косміч-

ного проміння за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле.
Під час досліджень було встановлено, що в тому самому місці камери з'яв-
ляються дві (пара) частинки, які відхиляються в різні боки в магнітному полі.

З цього випливало, що їх заряди різнойменні. Характер треків і криви-

зна шляхів доказували, що маси обох частинок однакові. Тепер з великою
точністю встановлено, що позитрон за своїми властивостями подібний до
електрона, але відрізняється знаком заряду.

Процес утворення пари пов'язаний із затратою енергії 0,51 МеВ (енергія

спокою) на кожну частинку. Отже, мінімальна енергія у -кванта, потрібна

для створення електрон-позитронної пари,

=2т

=1,02 МеВ. Уся над-

лишкова енергія, яку має у -квант понад 1,02 МеВ, переходить у кінетичну

енергію утворених частинок.

§ 251. Космічне випромінювання

У 1909-1910 рр. В. Гесс і В. Кольчерстер, досліджуючи сту-

пінь іонізації повітря на різних висотах, встановили:

повітря біля поверхні Землі іонізується частково її радіоактивним

випромінюванням, а частково - дією якихось дуже проникних променів.

Якби повітря іонізувалось лише дією радіоактивного випромінювання,

то з віддаленням від поверхні Землі його інтенсивність і, як наслідок, іоні-
зація повітря мали б зменшуватись. Але результати дослідів показали, що

на висоті близько 5000 м іонізація повітря була в три рази більша,

ніж біля поверхні Землі.

З'ясувалося, що це зумовлено космічним випромінюванням, яке при-

ходить із світового простору. Космічне випромінювання ділиться на пер-
винне і вторинне.

Первинне, яке падає на Землю із світового простору, - це потік части-

нок, що рухаються із швидкостями, близькими до швидкості світла. Кос-
мічне випромінювання за своєю проникною здатністю переважає всі інші
види випромінювань. Середня енергія первинних космічних частинок
близько Ю

еВ, а енергія окремих частинок досягає 10

еВ і більше.

Безпосередні вимірювання за допомогою іонізаційних камер, лічиль-

ників і ядерних емульсій, піднятих на повітряних кулях і ракетах, дали
можливість встановити, що понад 90 % первинних частинок - це протони,

решта - а -частинки та інші, ядра важчих елементів. До складу космічного

випромінювання входять нейтринне і у -випромінювання.

588

Відносна частка основних компонентів первинного космічного проміння

Група ядер

Зарядове число

Масове число А

(усереднене)

% у загальному

потоці

Протони

92,9

Ядра:

гелію (а -частинки)

6,3

легкі

3-5

0,13

середні

6-9

0,4

важкі

> 10

0,18

надважкі

> 20

0,05

Первинне космічне випромінювання має в основному галактичне

походження, а окремі частинки з енергією понад 10

еВ/нуклон, мож-

ливо, зароджуються поза нашою Галактикою.

Інтенсивність космічного випромінювання не стала в часі - це

пов'язано із зміною активності Сонця. Під час сонячних спалахів відхи-

лення інтенсивності космічного проміння від середнього значення може

досягати десятків і навіть сотень процентів; отже, деяка частина косміч-

ного проміння генерується Сонцем.

Первинні частинки космічного проміння стикаються з ядрами атомів у

верхніх шарах атмосфери, утворюючи

вторинне випромінювання

: на ви-

сотах нижче від 20 км космічне проміння практично повністю має вто-

ринний характер. Оскільки ядра первинного космічного проміння мають

дуже велику енергію, вони породжують групи частинок, які розмножу-

ються лавиноподібно, - каскадні ядерні зливи. Ці зливи генетично
зв'язані між собою і зумовлені багаторазовими електромагнітними і ядер-
ними взаємодіями в атмосфері.

Зливи вперше виявив у 1928 р. академік Д. В. Скобельцин, який сфо-

тографував сліди космічних частинок у камері Вільсона. Подальшими
дослідженнями було встановлено, іцо біля поверхні Землі космічне про-

міння складається з двох компонентів - м'якого і жорсткого. М'який
компонент - це потік у -квантів, електронів і позитронів. У 1938 р. К. Ан-

дерсон і С. Ніддермейєр показали, що жорсткий компонент - це потік

приблизно однакової кількості позитивно і негативно заряджених части-
нок з масою, яка дорівнює приблизно 207

, і часом житія 2,2 • 10 ° с.

І (,і частинки назвали

мюонами

р" |. У 1947 р. С. Пауелл встановив,

що при взаємодії первинного космічного випромінювання з атомними
ядрами виникають невідомі раніше заряджені частинки з масою 273

Ці частинки назвали

к-мезонами