ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18997
Скачиваний: 11
елементарних частинок
Заряд
Спін »
(в одиницях)
Середній час
життя, с
Основний тин
розпаду
0
0
"1
- !
+ 1
0
+1
0
+1
о
о
+1
-1
Фотон
Лептони
1/2
1/2
1/2
1/2
0
0
0
о
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
3/2
Мезони
Баріони
Стабільний
Стабільний
2,2 -10
2,5-ІО"
8
1
,9-10
16
1,2 -10~
8
1,0-ю -
10
(к?)
6,МО~
8
(А:
20
)
Стабільний
1,0 -Ю
3
2.5 ТО"
10
8-Ю™
11
< 10~
и
1.6 10~
10
1,5-10~
10
1,3-Ю~
10
~ і о
-10
п
->ц
51° У + у
К? ~> + к~
п-> р + е +У
е
А
0
~->
р + п~
Е~ -> А + к~
кварки не мають внутрішньої структури, в цьому розумінні їх можна
вважати справді елементарними частинками.
Хоча гіпотеза кварків була вдалою, оскільки вона давала можливість з
єдиних позицій пояснити властивості більшості елементарних частинок,
але кварків у вільному стані в космічному промінні і навколишньому се-
595
редовищі не виявлено, незважаючи на численні пошуки на прискорюва-
чах високих енергій. Тепер важко говорити про те, збережеться ця гіпотеза
чи на зміну їй прийде інша. Важливо те, що покладено початок створенню
єдиної теорії, яка об'єднує чотири фундаментальні взаємодії.
§ 255. Ядерні реакції. Штучна радіоактивність
Ядерні реакції
Під ядерними реакціями розуміють штучне перетворення атом-
них ядер внаслідок їх взаємодії як один з одним, так і з ядерними частинка-
ми. Під час ядерних реакцій додержуються закони збереження сумарного
електричного заряду, числа нуклонів, енергії, імпульсу, моменту імпульсу.
Всі ядерні реакції характеризуються енергією, яка виділяється або поглина-
ється в процесі їх перебігу. Реакції, що супроводяться виділенням енергії,
називаються
екзотермічними
, а поглинанням енергії -
ендотермічними.
Згідно з теорією, яку запропонував Бор, ядерна реакція відбувається за
два етапи. На першому етапі ядро - мішень
А
- зливається з бомбардую-
*
чою частинкою а, утворюючи нове ядро
С
, яке буде в збудженому стані:
* *
А
+
а
—» С . На другому етапі збуджене ядро
С
розпадається на кінцеві
*
продукти ядерної реакції: С —>
Ь
+
В
. Таким чином, ядерна реакція від-
бувається за схемою
А +а -> С* В + Ь.
(25.10)
Одна з перших ядерних реакцій - сполучення ядер азоту з ядрами ге-
лію (а -частинками). Цю реакцію здійснив Резерфорд у 1919 р. Бомбар-
дуючи азот а -частинками, Резерфорд виявив виникнення протонів. При
цьому ядро азоту, яке поглинуло а-частинку, утворює збуджене ядро
9
8
що розпадається на кінцеві продукти реакції §
7
О і |
р :
Р ->
1
8 О -ь} р. (25.11)
Протони реєструвалися спочатку методом сцинтиляцій, а потім каме-
рою Вільсона.
Ядерні реакції класифікують: 1) за енергіями частинок, які їх спричи-
нюють (малі енергії «ІООеВ середні « І М е В , великі «50МеВ); 2) за
видом ядер, що беруть у них участь (реакції на легких (А < 50), середніх
(50 <
А
< 100) і важких ядрах (
А
> 100)); 3) за природою бомбардуючих
частинок (реакції під дією нейтронів, квантів, заряджених частинок); для
реакцій, які відбуваються під дією заряджених частинок, потрібно, щоб
частинки мали енергію, достатню для подолання кулонівського поля яд-
ра; 4) за характером ядерних перетворень.
596
Існування в ядрі нейтральної частинки (нейтрона), яке передбачив Ре-
зерфорд у 1920 р., підтвердили в 1932 р. Боте і Беккер при обстрілюванні
ядер берилію а-частинками:
4Ве +2 а
С+
]0
п.
(25.12)
Пізніше було з'ясовано, що
нейтрон радіоактивний, період його піврозпаду Т= 12 хв.
За допомогою реакцій було підтверджено можливість перетворення
одних хімічних елементів в інші та відкрито можливість добути штучно
радіоактивні елементи.
Принципової різниці між штучною і природною радіоактивністю
немає, оскільки властивості ізотопу не залежать від способу його
утворення й ізотоп, добутий штучно, нічим не відрізняється від тако-
го самого природного ізотопу.
Штучна радіоактивність пов'язана з порушенням стабільності атомно-
го ядра.
Стабільні
ядра елементів, в яких кількість протонів дорівнює
кількості нейтронів.
Якщо в легких ядрах (Л< 50) штучно створити надлишкову кількість
нейтронів, то стабільність ядра порушиться, виникне р -радіоактивність.
Прикладом такої реакції є перетворення стабільного ізотопу Ц А1 від бомбар-
дування дейтронами в радіоактивний ізотоп Ц А1, який зазнає (3 -розпаду:
^АІ-*?» 8І+_?є + У. (25.13)
Якщо стабільність ядра порушити, створивши надлишкову кількість про-
тонів у ядрі, то це призводить до зростання енергії ядра і супроводиться
штучною р
+
-радіоактивністю. При цьому розпад відбувається за схемою
+ (25.14)
З урахуванням правил зміщення утворений елемент переміщується в
таблиці Менделєєва на одну клітинку вліво.
§ 256. Поділ важких ядер
Відкриття в 1932 р. нейтрона і штучної радіоактивності в
1934 р. стало поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Почи-
наючи з 1934 р. Фермі із співробітниками опромінювали нейтронами
майже всі елементи періодичної системи. Звичайно при нейтронному бом-
бардуванні ядро 2 X > захоплюючи нейтрон, переходить у збуджений стан
и
\ Х , яке, випускаючи електрон, перетворюється в ядро стійкого ізотопу
/*\Х. У 1938-1939 рр. німецькі фізики О. Ган і Ф. Штрассман встановили,
597
що при бомбардуванні урану його ядро ділиться на два (рідко три) осколки з
виділенням великої кількості енергії. Внаслідок поділу ядер урану утвори-
лись нові елементи, що належать до середньої частини періодичної систе-
ми, - барій, лантан та ін. Стало очевидно, що початкова реакція з ядрами
урану ускладнюється великою кількістю якихось наступних процесів.
Експериментальні результати пояснили Л. Мейтнер і О. Фріш, які ви-
словили припущення, що ядро урану, яке поглинуло нейтрон, ділиться на
два ядра (осколки) приблизно з однаковими зарядовими і масовими числами.
У нормальному стані важке ядро має більш або менш сферичну форму.
Ядро, захопивши тепловий нейтрон *, переходить у збуджений стан з енер-
гією збудження, яка дорівнює енергії і зв'язку захопленого нейтрона (5,8-
7,5 МеВ). Рух нуклонів у ядрі стає інтенсивнішим, форма ядра швидко і
хаотично змінюється. Воно то витягується, то стискується, тобто зазнає
деформації, як краплина рідини, наприклад ртуті. Внаслідок деформації
утворюється перетяжка, аналогічна перетяжці між двома частинами крап-
лини рідини, яка роздвоюється.
Якщо кулонівські сили відштовхування між протонами менші від ядер-
них сил притягання, то ядро, не поділившись, випромінює квант або нейтрон
і перейде в основний стан. Якщо кулонівські сили відштовхування між
протонами переважатимуть над ядерними силами притягання краплини,
яка роздвоюється, то ядро поділиться на дві частини. При цьому з ядра
вилітають 2-3 вторинні нейтрони. Оскільки осколки позитивно заряджені,
то, відштовхуючись під дією кулонівських сил, вони розлітаються з великою
швидкістю. Експериментальні дані показують, що більша частина вторин-
них нейтронів виділяється із збуджених осколків, коли вони розлітаються.
Ядра-осколки, які виникли в процесі поділу, радіоактивні, їх радіоактив-
ність зумовлена тим, що вони мають надлишок нейтронів над протонами
порівняно з ядрами стійких ізотопів. Такі ядра-осколки рядом розпадів зме-
ншують свій надлишок нейтронів, перетворюючись у стабільні ядра.
Можливість поділу важких ядер можна пояснити на основі залежності
питомої енергії зв'язку від масового числа
А
(див. рис. 25.7). З цієї залеж-
ності випливає, що важкі ядра мають питому енергію зв'язку, на 1 МеВ
меншу, ніж ядра елементів, розміщених у середній частині таблиці Менде-
лєєва. Процес поділу важких ядер енергетично вигідний, оскільки в акті
поділу беруть участь до 200 нуклонів, тобто поділ одного ядра має супро-
водитись виділенням енергії приблизно 200 МеВ, причому більша частина
цієї енергії («165 МеВ) припадає на кінетичну енергію осколків поділу.
Продукти поділу дуже різноманітні, їх налічується понад 200 видів.
Найбільш імовірні значення мас осколків припадають на 95 і 139. Поділ
* Енергія нейтронів, які виділяються під час ядерних реакцій, лежить у межах від декількох
часток електрон-вольта до 200 МеВ. Нейтрони з енергіями 0,005-0,5 еВ називають тепловими,
нейтрони з
Е >
1 МеВ - швидкими.
598
на осколки однакової маси менш імовірний і відбувається дуже рідко.
Найтиповішим прикладом реакції поділу є
2
П
Ь
Г
+0
П
->
2
90
1]
->* 56
Ва
+36
Кг
+ Зо
п
+
б
(енергія).
Подальші дослідження показали, що під дією нейтронів можуть діли»
УХИ
тися ядра й інших важких елементів:
92
И,
94
Ри, Тії тощо. Одні яд-
ра важких елементів діляться під дією швидких нейтронів (наприклад,
2
92
2
%ТЬ.), інші - під дією теплових (наприклад,
2
Ц І і ,
7
ІІ Ри)
У 1940 р. радянські фізики Г. М. Фльоров і К. О, Петржак встановили,
що ядра деяких важких елементів можуть зазнавати спонтанного (мимо-
вільного) поділу. Ймовірність цього процесу дуже мала, а період півроз-
паду при цьому становить 8 4 0 років для
92
І) і 10 років для ^ Т Ь .
І 257. Ланцюгова ядерна реакція
Відкриття поділу ядер урану і деяких важких елементів дало
можливість практично здійснити ланцюгову ядерну реакцію, У § 256 було
показано, що при поділі ядра урану, крім ядер-осколків, вилітають 2-3
нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть влучати в інші ядра
урану, спричинюючи їх поділ, При поділі 2-3 ядер урану вивільняється
вже 4-9 нейтронів, які можуть спричинити поділ нових ядер урану з утво-
ренням 8-27 нейтронів і т. д. (рис. 25/10); виникає самопід-трймуючий
процес поділу, який і називають ланцюговою
ядерною реакцією,
Ланцюгова реакція супроводиться значним виділенням енергії, тобто є
екзотермічною.. У поперед ньому параграфі було показано, що ори поділі
одного ядра урану виділяється енергія приблизно 200 МеВ. Визначимо,
яка енергія вивільняється від поділу всіх ядер, що містяться в 1 кг
(2,5» 10
24
ядер]урану-235:
і? «2-Ю
2
МеВ-2,510
2 4
=
= 5 * 10
26
МеВ = 8 • 10
13
Дж.
Ця енергія еквівалентна тій енергії, яку
дістають від згоряння приблизно 1800 т
бензину або 2500 т кам'яного вугілля. Ве-
личезне значення вивільненої енергії спо-
нукало вчених та інженерів шукати шляхи
використання ланцюгової ядерної енергії в
практичних (як мирних., так і воєнних)
цілях. Практичне здійснення ланцюго-
вих ядерних реакцій ~ не таке просте
завдання, як здається на перший погляд.
п
Ф
ш
Ш
и-255
и~238 1^^-255
71
П \
%
® <® ®
$ 4 4
Рм€в 25.10
599