<<

стр. 6
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>

ядерные силы называют короткодействующими. Их короткодей- — между двумя протонами, , •.-.-..
ствующий характер связан с малым размером ядер (< 10˜12 см) и с - между нейтроном и протоном,
- между двумя нейтронами.
•тем, что при сближении двух ядер (например, двух протонов,
Такие выводы были сделаны при сравнении результатов
которые являются ядрами атомов водорода) на расстояние
12
экспериментов по изучению рассеяния одного нуклона на дру-
порядка 10˜ см действуют только электромагнитные силы, и
гом. . .-.
13
лишь на расстояниях порядка 10˜ ем над кулоновским оттал-
Наконец взаимодействие нейтрона с протоном обладает
киванием протонов начинает преобладать их ядерное притя-
еще одной замечательной особенностью: эти две частицы в
жение.
процессе ядерного взаимодействия могут обмениваться свои-
Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень
ми электрическими зарядами. После взаимодействия нейтрон
интенсивные. Их интенсивность значительно больше интен-
превращается в протон, а протон — в нейтрон. Это качество
сивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удер-
называют обменным характером ядерных сил.
живают внутри ядра одноименно заряженные протоны, кото-
Анализ этого явления с помощью методов квантовой ме-
рые отталкиваются друг от друга с огромными электрически-
ханики'позволил установить механизм ядерного взаимодей-
ми силами. Исследования показывают, что ядерные силы в
ствия. Согласно современным представлениям, ядерное вза-
100-1 000 раз сильнее электромагнитных. Поэтому ядерное
имодействие между нуклонами осуществляется при помощи
взаимодействие и называют сильным.
я-мезонов, которые являются переносчиками (квантами) ядер-
Наименьшее время, за которое две частицы успевают про-
ного взаимодействия. ...-.'•••. . • ..
23
взаимодействозать ядерным образом, ?№р1И, = Ю˜ см. Это вре-
В.процессе ядерного взаимодействия один нуклон ис-
мя во столько же раз меньше времени, за которое частицы
пускает я мезон, а другой поглощает его.
успевают провзаимодействовать электромагнитным образом, .
Кроме протонов и нейтронов, в сильном взаимодействии
во сколько ядерное взаимодействие сильнее электромагнит-
участвуют еще многие частицы (более 3501, например, так на-
ного.-
зываемые странные частицы и резон%нсы.
Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это зна-
Не могут участвовать в сильном взаимодействии фотон
чит, что в ядре один и тот же нуклон взаимодействует не со
(переносчик электромагнитного поля), электрон, позитрон,
всеми нуклонами ядра, а только с несколькими соседними
нейтрино, антинейтрино, мюоны, t лептоны.
Это похоже на валентность атома, который в химическом со-




РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР
План
1. Основные закономерности радиоактивного распада.
2. Радиоактивные процессы.
2.1. а-распад. ,
2.2. [З-оаспад. •
2.3. у-излучение. Эффект Мессбауэра.
2.4. Другие виды радиоактивности.
3. Деление и синтез ядер.

сматривают как самопроизвольное превращение неустой-
1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
чивого изотопа одного химического элемента в изогон дру
РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
того элемента. Этот процесс сопровождается испусканием
различных час-тиц (электронов, протонов, нейтронов, а-час
Радиоактивность - самопроизвольный процесс, про-
тип (4
исходящий в атомах радиоактивных элементов. Его рас-
86 Физика'

К радиоактивным элементам относятся те, которые име- Р- +1.
ют порядковый номер более 83. В периодической таблице Мен-
Если же знак волновой функции изминяе <.я нриОТраис»-
делеева они располагаются после висмута. Для этих элемен-
нии, то четность частицы отрицательная:
тов характерно отсутствие стабильных изотопов. Кроме того,
Р--Ь
естественная радиоактивность была обнаружена и у некото
рых изотопов других элементов. Например, исключениями Закон сохранения четности накладывает ряд ограниче-
можно назвать технеций (Те, Z - 43) и прометий (Pm, Z - 61;. ний на ядерные процессы. Так, реакция
Несмотря на то, что их порядковые номера меньше 83, они не
имеют ни одного стабильного изотопа.
запрещена законом сохранения четности, ес;и кинетичес-
Радиоактивный распаб - естественное радиоактивное
превращение ядер. При этом ядро, которое претерпевает рас- кая энергия протона не превышает 0,5 МэВ. Причина в том,
пад, носит название материнского, а то, которое образуется - что при этом значении энергии волновая функция пары ча-
дочернего. стиц j P + J b нечетна, а пары jHe+^He - четна. При более
Основополагающим в теории радиоактивного распада яв-
высокой энергии протона пара частиц jP+^Li может иметь
ляется предположение о гом, что распад - спонтанный про-
четную волновую функцию, и тогда протекание этой реак-
цесс, который подчиняется законам статистики. Распад отдель-
ции возможно.
ных радиоактивных ядер происходит независимо, что позво-
ляет сделать следующий вывод, скорость распада С г. е. число
2.1. а-распад.
ядер, распадающихся за единицу времени; пропорциональна
числу нераспавшихся ядер в данный момент времени:
При а-раснаде из радиоактивного ядра испускается et-чаг-
типа (дважды магическое ядро атома гелия \\\е). Таким об-
разом, дочернее ядро имеет на два протона и два нейтрона
Величина X - коэффициент, который характеризует ско-
меньше, чем материнское, ot-распаду подвергаются главным
рость распада. Он называется постоянной распада Эта вели
чина индивидуальна для каждого радиоактивного ядра. Ее образом тяжелые ядра (А > 200, Z > 8а;.
отрицательное значение указывает на то, что в процессе рас- Правило смещения для а-распада:
пада общее число радиоактивных ядер уменьшается. Найти
начальное число нераспавшихся ядер позволяет закон радио-
а-распад возможен потому, что масса, а следовательно, и
активного распада
энергия а-радиоактивного ядра, больше суммы масс (или сум-
N-N,,ex', марной энергии покоя; а-частицы и дочернего ядра, образую-
где No начальное число нераспавшихся ядер в «ачаль щегося в результате а-распада. Избыток энергии материнско-
ный момент времени (t - 0 /, ' го ядра освобождается в форме кинетической энергии а-час-
N число нераспавшихся ядер в момент времени t тицы и дочернего ядра. Скорости а-частиц, вылетающих при
Основными характеристиками интенсивности распада яв- распаде, колеблются в пределах (1,4 • 2) • 107 м/с. Это соответ-
ляются: ствует энергиям 4 9 МэВ.
1) период полураспада - Бремя, за которое распадается Современная теория ядерных взаимодействий утверж-
половина ядер: дает, что а-частицы образуются в результате встречи двух
протонов и двух нейтронов, движущихся внутри ядра.
_0 693
у—' Энергетический спектр испускаемых а. частиц состоит
из нескольких близко расположенных моноэнергетических ли-
2) среднее время жизни ядра: ний. Это означает, что в пределах каждой группы энергии
частиц постоянны. Дискретность спектра а-частиц еще раз
доказывает дискретность энергетических уровней атома.
Число распадов, которые происходят с ядрами в 1 с, на- Для а распада выполняется следующая закономер-
ность, с уменьшением периода полураспада радиоактивного
зывается активностью нуклида.
элемента увеличивается пробег и энергия исг ускаемых им
A-XN
а-частиц
Эта взаимосвязь была установлена эмпирически и пост
название закона Гейера Нэттола
2. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

2.2. р-распад
Для любого радиоактивного процесса выполняются за-
коны сохранения энергии, импульса, момента количества дви-
В процессе (5-распада нз радиоактивного ядра самопро-
жения, а также электронного заряда. При а-распаде и у-излу-
извольно испускается электрон (электронный, или (3 -распад)
чепии выполняется также закон сохранения четности.
или позитрон {позитронный, или ^-распад). Эти частицы воз-
Четность Р квантовое число, характеризующее сим-
никают в ядре непосредственно в момент р'-распада, а до этого
метрию волновой функции элементарной частицы или систе-
их в ядре нет Кроме того, существует еще третий вид (3-распада
мы элементарных частиц относительно зеркального отраже-
- захват ядром электрона из оболочки своего атома. Он но-
ния Четность частицы положительна, если при зеркальном
сит название ё-захват.
отражении волновая функция частицы не меняет знак-
Радиоактивные превращения ядер 87

2.3. уизлучение. Эффект Мессбауэра
В каждом случае р-распада происходит испускание ней-
трино (или антинейтрино). Правило смещения для Р-распада
Экспериментально установлено, что уизлучение не яв-
имеет вид:
ляется самостоятельным видом радиоактивности. Оно сопро-
*X->Z;,Y+ °e (5--распад. вождает а- и Р-распады, возникает при ядерных реакциях, тор-
можении заряженных частиц и т д.
:
р*-распад.
]X->z\Y+t\e
В процессе у-излучекия ядро самопроизвольно переходит
Как видно из схемы, в случае Р˜-распада заряд ядра уве- из возбужденного состояния в основное или менее возбужден-
личивается на единицу, в случае Р+-распада — уменьшается. ное. При этом избыток энергии ядра освобождается в виде
у-кванта (кванта коротковолнового электромагнитного излуче-
В процессе е-захвата также наблюдается понижение заряда 2
ния) и в виде энергии отдачи ядра (Гя = 10˜ + ЮэВ).
ядра на единицу. Таким образом, ядро превращается в изобар,
Установлено, что у-излучателями являются дочерние
т е. нейтрон превращается в протон или наоборот, при этом
ядра, которые образовались в результате а- и Р-распадов, т. к.
общее число протонов и нейтронов (массовое число) ядра
они образуются и в основном, и в возбужденном состояниях.
остается неизменным. 13 14
Испускание у-излучения происходит в течение 10˜ —10˜ с
Р-распад становится возможным благодаря тому, что ис-
с момента образования дочернего ядра, что значительно мень-
ходное радиоактивное идро имеет большую массу и энергию 8
ше времени жизни возбужденного атома (10" с). При этом
покоя, чем продукты распада. Избыток энергии покоя осво-
переход ядра из возбужденного в стационарное состояние
бождается в форме кинетической энергии электрона или по-
может проходить через ряд промежуточных состояний, каж-
зитрона, энергии антинейтрино или нейтрино и дочернего ядра.
дое из которых имеет свои энергетические характеристики.
Поскольку электрон не вылетает яз ядра и не отрывает-
Поэтому у-излучение одного и того же радиоактивного изотопа
ся от электронной оболочки атома, предположим, что он рож-
может содержать несколько различных по энергии групп у-кван-
дается в ядре как результат происходящих там процессов.
тов. Это доказывается и линейчастым характером у-спектров.
Рассмотрим это па примере р"-распада. В силу того что число
Вообще же у-спектр - распределение всех у-квантов согласно
нуклонов в ядре не изменяется, а заряд увеличивается на еди-
их энергетическим характеристикам. Поэтому дискретность
ницу, единственно возможной ситуацией, в которой могут од-
у-спектра еще раз доказывает дискретность энергетических
новременно осуществляться эти условия, будет превращение
состояний атомных ядер.
одного из нейтронов 8-активного ядра в протон с одновре-
Наряду с у-излучением в ядре может происходить кон-
менным образованием электрона и вылетом антинейтрино
курентный процесс внутренняя конверсия. Дело в том, что
Так, распад нейтрона имеет вид:
переход ядра из возбужденного в стационарное состояние
,» я -»|р+••+•*. может произойти не только за счет испускания у-кванта, но и
Долгое время ученых ставили в тупик непрерывные спек при непосредственной передаче энергии возбуждения одному
тры испускаемых при Р-распаде электронов. В связи с этим из электронов того же атома. При этом испускается электрон
даже возникла гипотеза о том, что в процессе Р-распада на конверсии
рушается закон сохранения энергии Однако предположение, Электронам конверсии соответствуют дискретные зна-
а впоследствии и доказательство существования нейтрино чения энергии Их величина зависит от работы выхода элек-
объяснили этот факт Дело в том, что Р-активные ядра до и трона из оболочки и от энергии, которую отдает ядро при
после распада обладают вполне определенными энергиями, но переходе из возбужденного в стационарное состояние.
выбрасываются электроны, обладающие энергией в диапазо- Если вся энергия Е выделяется в виде у-кванта, то часто-
не от 0 до некоторой Еш„. Как оказалось впоследствии, непре- та излучения v определяет из соотношения:
рывность энергетического спектра обусловлена тем, что энер-
Е- hv.
гия распределяется между электронами и антинейтрино, при-
В случае испускания электронов внутренней конверсии
чем сумма энергий обеих частиц равна Е т м . В одних актах
энергии электронов будут определяться из соотношений:
распада большую энергию получает антинейтрино, в других -
электрон. Е - А» Е - A»...,
Современная теория Р-распада опирается на то, что все где Av Аь ... - работа выхода электрона из К , L-, ... -оболочек.
происходящие в ядре преобразования происходят под дей- Благодаря тому, что энергия электронов каждого уровня стро-
ствием слабого взаимодействия (единственного вида взаимо- го определена, электроны конверсии можно легко отличить от
Р-электронов, спектр которых непрерывен. Кроме того, внут-
действия, в котором могут принимать участие нейтрино и ан-
ренняя конверсия всегда сопровождается херектригтичееким
пщейтрино)
рентгеновским излучением, что/обусловлено переходом элек-
Ядра, обладающие Р-радиоактивностью, можно создавать
тронов вышележащих оболочек на места, освободившиеся в
искусственно, если присоединить к стабильному ядру или от-
результате вылета электронов.
пять от него один или несколько однотипных нуклонов. При
избытке электронов в ядре может наблюдаться искусственная При у-излучепии энергия испускаемых у-кваитов оказы
Р радиоактивность. Такие ядра получаются в результате об- вается меньше энергии возбужденного состояния ядра. Часть
лучения веществ нейтронами в ядерных реакторах. При из- энергии переходит в энергию отдачи ядра:
бытке протонов ядра проявляют искусственную Р˜-радиоак-
тивногть или испытывают ё-захват. Их получают облучени-
где Е - энергия возбужденного ядра,
ем вещества на циклотроне положительными ионами (прото-
?у - энергия у-кванта,
нами;. Впервые наведенная Р'-радиоактивность была откры
Тя - кинетическая энергия отдачи ядра.
та в 1934 г. при облучении веществ а-частицами, а'искус-
Хотя Гя очень маленькая величина (7'я =• 0,01 ЮэВ),
ственная р радиоактивность - при облучении веществ нейт
не менее Ея * Е. Поэтому у-кванты, испущенные ядром, не мотут
роками от нейтронных источников.
88 Физика

перевести ядро того же типа из основного состояния (Е — 0) в 3. ДЕЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ЯДЕР
возбужденное. Для этого у-квант должен обладать энергией:
Как известно, энергия связи ядра является выраженной
в энергетических характеристиках разностью массы атомного
где Тя - энергия отдачи, которую у-квант должен передать
ядра и суммы масс всех составляющих его нуклонов:
поглощающему ядру.
1
AW - [Zmp + (А - Z) т„ - MJ • с .
Но существуют условия, при которых энергия отдачи
сведена к нулю (ядра в виде кристаллических решеток при Экспериментально доказано, что энерпи связи DW со-
низкой температуре). В этом случае становятся возможны ставляет только 1% энергии покоя атома, причем для разных
испускание и поглощение у-квантов без отдачи. ядер ее точные значения сильно колеблются. Доля, которую
Кроме того, имеет место резонансное поглощение у-кван- составляет энергия взаимодействия нуклоне ? от энергии по-
тов ядрами: ядро поглощает у-квант той же частоты, что и коя, зависит от числа взаимодействующих нуклонов. С рос-
частота излучаемого ядром у-кванта при переходе из возбуж- том числа нуклонов она сначала возрастает, а затем уменьша-
денного состояния в основное. Резонансное поглощение мо- ется. Особенно прочно нуклоны связаны в средних по массе
жет быть получено только при компенсации потери, энергии на ядрах, слабее — в тяжелых и очень легких ядрах.
отдачу. Такому условию удовлетворяют ядра, которые на- Основная причина различия в энергии СЕ язи разных ато-
ходятся в связанном состоянии (кристаллическая решетка) и мов заключается в том, что разные нуклоны в ядре вступают в
при низких температурах, чтобы остановить колебания ядер в разные по силе взаимодействия. Условно в: г нуклоны ядра
решетке. В этом случае импульс и энергия отдачи передаются можно разделить на две группы: внутренние и внешние (по-
не одному ядру (поглощающему или испускающему g-квант), а верхностные). Внутренние нуклоны окружены соседями со
всей кристаллической решетке в целом. Масса кристалла по всех сторон, а внешние имеют соседей толь в о с внутренней
1
отношению к массе отдельного ядра является гораздо большей стороны. Аналогично поверхностному натяжению жидкостей
величиной, поэтому, согласно закону сохранения импульса внутренние нуклоны ядра взаимодействуют с соседями силь-
нее, чем поверхностные.
У легких ядер доля внутренних нуклонов очень мала.
Т
2
' 2тнс Можно сказать, что у них все нуклоны являются внешними. С
потери энергии на отдачу становятся бесконечно малы. Мож- утяжелением ядра доля внутренних нуклонов увеличивается,
но сказать, что процессы излучения и поглощения у-излуче- а вместе с нею растет и энергия связи. Однако, начиная с неко-
ния в этом случае происходят абсолютно упруго, т. е. практи- торого числа нуклонов (А = 40 + 60), становится заметным их
чески без потерь энергии. электрическое отталкивание, что приводит к уменьшению энер-
Явление упругого испускания или поглощения у-кван- гии связи у тяжелых ядер.
тов ядрами атомов, связанными в твердом теле, которое не Различие в энергии связи разных ядер может быть ис-
сопровождается изменением внутренней энергии тела, носит пользовано для освобождения внутриядерной энергии. На-
название эффекта Мессбауэра (по имени ученого, исследо- пример, если ядро урана разделить пополам, то с уммарная масса
вавшего это явление и установившего его закономерности). полученных половинных ядер составляет 0,999 от массы ис-
ходного ядра. Избыток массы превратится в энергию. Имен-
2.4. Другие виды радиоактивности но этот принцип лег в основу практического использования
реакций деления ядер.
1. Протонная радиоактивность - испускание протона
При синтезе легких ядер, т. е. при их слиянии в более
из. ядра в основном состоянии. Обычно этот процесс имеет
тяжелые, также происходит выделение энергии. Это имеет
место у искусственно полученных ядер с большим дефицитом
место за счет того, что образуются более устойчивые ядра,
нейтронов.
взаимосвязанность нуклонов в которых гораздо больше, чем
2. Спонтанное деление — самопроизвольное расщепление
в исходных ядрах. Поэтому процесс их слияния оказывается
ядер с Z > 90 (торий, протактиний, уран и трансурановые эле-
энергетически выгодным. На сегодняшний день проблема
менты) на два ядра-осколка с примерно одинаковыми масса-
практического синтеза еще не решена до коша, хотя это на-
ми (М, : М2 « 2 : 3). В подобных процессах освобождается
правление добычи ядерной энергии является более выгод-
большое количество энергии (Q = 200 МЭВ). Ее появление
ным, чем ядерное деление (энергия синтеза, приходящаяся на
обусловлено тем, что масса исходного ядра больше суммы
единицу массы, количественно в несколько [аз превосходит
масс ядер-осколков.
удельную энергию деления). Сейчас уже хорохо освоен взрыв-
3. Испускание запаздывающих нейтронов -. каскадный
ной синтез, но осуществление управляемой термоядерной ре-
процесс, который включает в себя два этапа:
акции еще встречает определенные трудности. Так, чтобы
Р -распад, при котором образуется дочернее ядро в
выделяемая ядром энергия была больше поглощенной, необ-
сильновозбужденном состоянии;
ходимо выполнение критерия Лоусона. Согласно ему, плот-
- испускание нейтрона дочерним ядром. Т. к. нейтрон
ность р, температура Г и время удержания т дейтерий-тритис
испускается только после р"-распада, то его называют
вой плазмы должны удовлетворять условиям
запаздывающим.
рт = (2 + 3) • 10" см 3 ; с
4. Испускание запаздывающих протонов - процесс, анало-
Т - 108К
гичный предыдущему. Здесь первым этапом является |Зт-распад
с образованием сильновозбужденного дочернего ядра, после Существует два способа добиться соответствия Крите
чего дочернее ядро испускает протон. рию Лоусона:
Оба процесса, испускания запаздывающих нуклонов об- 1 медленно (т > 0,1 с) нагревать плотную (р > Ю1-1 см ')
наружены только у искусственно созданных ядер, которые плазму большого объема (сотни кубических .метров)
сильно перегружены соответствующими нуклонами до температуры Т = 108К;
Радиоактивность и анализ веществ 89

сверхбыстро (t = 10˜9 с) нагреть конденсированное В настоящее время ученые многих стран ищут возмож-
термоядерное вещество очень малого объема (V — 1 ности создания подобных условий, чтобы управлять процес-
сами, происходящими в ядре. •••'.-" .• -
3
IvfM ).




РАДИОАКТИВНОСТЬ И АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ*
План
1. Радиохимический анализ.
1.1. Анализ естественных радиоактивных веществ.
1.2. Анализ искусственных радиоактивных веществ.
2. Радиоиндикаторные методы анализа. .
3. Активационный анализ.
4. Методы анализа, основанные на взаимодействии излучения с веществами.
4.1. Метод анализа, основанный на упругом рассеянии заряженных частиц.
4.2. Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии (3-частиц.
.4.!-!. Метод анализа, основанный на поглощении и рассеянии у-излучения.



дартным, в котором количество определяемого радионуклида
1. РАДИОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
точно установлено.
Естественные радионуклиды определяют путем измере-
Открытие радиоактивности дало толчок к появлению и
ния их активности. Особенно широко этот способ применяет-
развитию новых направлений исследований. Само же явление
ся для определения естественных радиоактивных элементов,
нашло применение как в промышленности, так и в науке. В
содержащих радионуклиды с небольшим периодом полурас-
частности, в аналитической химии (науке, которая занимается
пада, которые встречаются в ничтожно малых количествах.
определением качественного и количественного состава ве-
Никаким другим способом их определить нельзя. Для долго-
щества) явление радиоактивности применяется для анализа
живущих радионуклидов измерение их радиоактивности яв-
состава и количества веществ. Оказалось, что характер испус-
ляется не очень эффективным, поскольку не дает высокой
каемого излучения является настолько индивидуальным для
точности результатов.
каждого атома, что его можно использовать для идентифика-
Накопленная на сегодняшний день информация о харак-
ции элементов. Разработано большое количество методов, по-
тере радиоактивности природных веществ позволяет выбрать
зволяющих провести анализ любого элемента и многих соеди-
наиболее результативные методики их анализа.
нений. Существуют методы, которые позволяют проводить
Такие природные материалы, как руды (за исключением
определение не только в лаборатории, но и в полевых услови-
урановых), горные породы и минералы, как правило, облада-
ях, например активационный анализ, который применяется для
ют слабой радиоактивностью. Измерение их активности по-
разведывания месторождений полезных ископаемых.
зволяет определить следы радия или тория, которые находят
В основе радиохимического анализа лежит использова-
ся либо в состоянии, близком к равновесию с продуктами рас-
ние ядерных свойств радионуклидов. С его помощью можно
пада, либо после достижения такого равновесия. Количество
пнализировать радионуклиды, встречающиеся в природе (ана-
радиоактивных компонентов обычно невелико, поэтому час-
лиз естественных радиоактивных веществ) и исследовать при-
то прибегают к их выделению и концентрированию. Предва-
родные материалы (почву, воздух, руду и т. д.) на наличие в
рительно образец переводят в раствор.
них радиоактивных изотопов. Кроме того, метод радиохими-
Естественная радиоактивность воздуха обуславливает
ческого анализа позволяет изучать системы искусственных
ся наличием в нем радона, торона или актинона и их активны-
радионуклидов: обнаруживать и идентифицировать радионук-
ми осадками, которые образуют радиоактивные аэрозоли. Сле-
лиды, определять продукты распада и ядерного синтеза транс-
дует отметить, что над поверхностью океанов концентрация
урановых элементов и т. д.
радионуклидов значительно меньше, чем в воздухе над конти-
нентами, например, концентрация радона над континентами
1.1, Анализ естественных радиоактивных веществ имеет порядок 10˜6 Бк/см3, а над океанами 10"8 Бк/см3. Ра-
диоактивность почвенного воздуха значительно выше, чем ра
Анализируя природные радиоактивные вещества, обыч-
диоактивность воздуха свободной атмосферы (10"3 Бк/см3), а
но в Н Х определяют наличие уже известного радионуклида и
И
наиболее велика радиоактивность воздуха шахт, особенно если
!-гп количество. Определение обычно проводят относитель-
там добывают урановую руду
ным методом, т. е. исследуемый образец сравнивается со стан-


* Данный реферат раскрывает возможное ги использования физических явлений при решении проблем химии, поэтому он будет полезен при демонстрации
ЧК'ЖПрсДМСТЛЫХ СПЯЗРЙ
90 Физика

Природная вода может содержать до 0,5 кБк/л радия и всех исследуемых процессов однородность распределения
до 30 мкг урана. В области урановых месторождений концен- (изотопный состав) не изменяется. Тогда можно проследить,
трации радионуклидов значительно выше: до 0,8 кБк/л радия во-первых, как меняется концентрация исследуемого соеди-
и до 90 мг урана. нения в ходе реакции, а во-вторых — на каких этапах протека-
ния реакции с ним начинают происходить изменения. Каче-
ственное исследование меченого элемента или его соединения
1.2. Анализ искусственных радиоактивных
проводят, обнаруживая радиоактивность, а количественное —
веществ.
замеряя величину радиоактивности.
Анализ искусственных радиоактивных веществ (т. е.'тех, Из огромного множества радионуклидов, известных па
сегодняшний день, только некоторые из них можно использо-
которые возникли в результате ядерных реакций, продуктов
вать в качестве индикаторов. При этом во внимание принима-
реакций деления и ядерного синтеза трансурановых элемен-
ются как физические и химические свойства радионуклида,
тов) гораздо сложнее, чем анализ естественных радиоактив-
так и экономические характеристики (доступ тость, дешевиз-
ных материалов. Дело в том, что, анализируя природные ве-
на).
щества, чаще всего приходится определять количество зара-
Основные показатели, которые принимают во внимание
нее известного радионуклида. В отличие от этого, образцы
при выборе индикатора:
искусственных радиоактивных веществ обычно состоят из
— период полураспада;
радионуклидов разных видов (как известных, так и неизвест-
— вид и энергия излучения;
ных; и их необходимо дополнительно идентифицировать.
— доступность радионуклида;
Поэтому качественный анализ искусственных радиоактивных
— химическая и радиоактивная чистота:
веществ включает два этапа:
1) обнаружение излучения и описание его свойств; — химическая форма.
Период полураспада радионуклида, который собираются
2) распознавание радионуклида, которому принадлежит
использовать в качестве индикатора, не должен быть слишком
обнаруженное излучение.
маленьким. Если продолжительность эксперимента превыша-
Вид излучения радионуклида определяется в процессе
ет период полураспада в 10 и более раз, то такой радионуклид
изучения его прохождения через воздух и другие материалы.
использовать в длительном эксперименте не/ ьзя. Непригод-
Энергию излучения определяют, измеряя пробег или величи-
ны для радиоиндикаторного метода и долгоживущие радио-
ну слоя поглощения в веществе, через которое проходит из-
нуклиды, т. к. в большинстве случаев они испускают излуче-
лучение. Кроме того, для идентификации радионуклида ис-
ние с низкой энергией. Наиболее подходящими являются ра-
пользуется период полураспада.
дионуклиды с периодом полураспада от нескольких часов до
Если нужно распознать неизвестный радионуклид, то в
нескольких месяцев.
первую очередь устанавливают характеристики наблюдаемо-
Вид излучения радионуклида имеет не меньшее значение,
го излучения (его вид, энергию, период полураспада). Целью
чем период полураспада, а-излучение имеет слишком малый
распознавания является определение заряда Z и атомной мас-
пробег, а у-излучение — слишком большую проникающую спо-
сы А радионуклида Установив эти характеристики, возмож-
собность, что делает работу с ним небезопасной. Поэтому наи-
но выяснить, какому именно химическому элементу соответ-
более широко применяют радионуклиды, испускающие Р-из-
ствует наблюдаемая активность. Это делается следующим об-
лучение. При работе с ними легко обеспечить безопасность
разом: из всех элементов отбирается тот, который хотя бы в
человека. Кроме того, существует множество п эиборов, позво-
одной химической реакции проявляет аналогичную активность.
ляющих измерить активность р-излучения. Наиболее эффектив-
Его называют носителем.
ны радионуклиды, испускающие коротковолнокое Р-излученис-
с энергией Етх > 0,3 МЭВ. Для длинноволнового р-излучения
применяются специальные счетчики
2. РАДИОИНДИКАТОРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Радионуклиды, используемые в качеств; индикаторов,
должны быть доступны в приготовлении. В г ервую очередь
Радиоиндикаторные методы используются для того, что-
это радионуклиды, которые получают в ядерном реакторе.
бы исследовать качественный состав системы в ходе реакции.
Химическая форма и степень очистки вещества также влияют
В анализируемую систему (т. е. ту, которая содержит опреде-
на то, насколько доступен будет радиоиндикатэр, в том числе
ляемый элемент или соединение) вводится меченое соедине-
и по стоимости.
ние (радионуклид или неизотопный радиоактивный реагент),
Химическая и радиохимическая чистоте радиоиндика-
после чего измеряется удельная активность системы и уста-
тора должна быть очень высокой, т. е. вещество должно иметь
навливается изменение удельной активности, а также измене-
минимум посторонних химических элементов или соединений,
ние изотопного состава и др. характеристики системы. __ -
испускающих излучение. Если нет возможности обеспечить
отсутствие посторонних радиоактивных веществ и элементов,
Метод меченых атомов то нужно, чтобы эти загрязнения были известны и их влияние
можно было бы оценить и учесть. Если же распознать радио-
В основе метода меченых атомов лежит тот факт, что
активное загрязнение нельзя, то радиоиндикаторный метод
химические свойства радиоактивных и нерадиоактивных изо-
даст ошибочный результат.
топов одинаковы Эго означает, что в химических реакциях
Химическая форма радиоактивного индикатора и оп-
из исходных веществ в продукты будут переходить равные
ределяемого вещества должна быть одинакова, т. е. инди-
части обоих типов изотопов. Но это можно использовать на
катор и исследуемое вещество должны иметь одинаковый
практике только в том случае, если радиоактивный и стабиль-
количественный и качественный состав молекулы (хими-
ный .изотопы находятся в состоянии идеального однородного
ческую формулу). Это особенно важно для элементов, ко-
распределения в химической системе, причем на протяжении
Радиоактивность и анализ веществ 91

4.1. Метод анализа, основанный на упругом
торые могут находиться в нескольких степенях окисления
и образовывать несколько разных соединений с одним и рассеянии заряженных частиц
тем же этементом.
Тяжелые заряженные частицы (\Не (у-частицы), ^Li)
проходят через анализируемую среду, взаимодействуя г ато
3. АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ мами вещества. При этом наиболее важными видами взаимо-
действия являются упругое рассеяние на ядрах определяемо-
Активационный анализ является методом, который наи- го элемента, ионизация (обрыв электрона,) и возбуждение ато-
более широко используется для обнаружения и идентифика- мов определяемого элемента, а также торможение заряжен
ции" химических элементов. Впервые он был применен в 1936 г, ных частиц. Однако упругое рассеяние происходит чаще псе
когда Хевеши и Леви с помощью активации нейтронами опре- го. Надо сказать, что возникает оно в результате кулоновско-
делили следы диспрозия (Dy) ь иттрии (Y). го взаимодействия ядра и заряженной частицы.
Сущность метода заключается в том, что исследуемый
Рассматриваемый метод анализа основан на том, что ки-
(нерадиоактивный) образец подвергается облучению, а затем,
нетическая энергия падающей частицы не равна кинетической
замеряя активность полученного радионуклида, устанавлива-
энергии рассеянной частицы. Для идентификации вещества
ют его количество, соответствующее количеству исследуемо-
используют отношение кинетической энергии частицы Е пос-
го вещества. Облучение проводится потоком бомбардирую-
ле упругого соударения к ее исходной энергии Ео. В результа-
щих частиц, чаще всего — нейтронов, хотя иногда активация
те получают спектр, расположение пиков на котором является
проводится заряженными частицами или у-квантами. Если об-
индивидуальной характеристикой вещества. По величине пи-
разец бомбардируется нейтронами, то метод носит название ней-
ков судят о количестве исследуемого вещества (чем пик выше,
тронно-актиоационного анализа. Другие способы активации не
тем больше концентрация). Полученные пики сравнивают со
имеют отдельных названий и Используются только в специаль-
стандартными пиками известных веществ.
ных случаях, когда исследуемый элемент но активируется нейт-
После идентификации вещества устанавливают его кон-
ронами или активируется со слишком малым выходом.
центрацию, сравнивая высоту экспериментального пика с пи-
Активность, а значит, и количество радионуклида, образу-
ком того же вещества известной концентрации.
ющегося в результате ядерной реакции при активации образца,
прямо пропорциональны массе определяемого элемента в об-
4.2. Метод анализа, основанный
разце. Следовательно, по измеренной интенсивности излуче-
ния данного радионуклида в образце можно установить коли- на поглощении и рассеянии р-частиц
тгетво исследуемого вещества, подвергнутого активизации.
Проходя через анализируемое вещество, (J-частииы всту
Обычно при облучении образца возникает смесь радио-
пают в реакции взаимодейст вия как на атомных ядрах, так и в
активных изотопов различных других элементов, кроме опре-
электронных оболочках атомов. При этом энергия Р-часгиц
деляемого. Их нужно разделить таким образом, чтобы радио-
уменьшается, а направление их движения изменяется, т. е. про
изотоп исследуемого вещества не имел примесей. Для радио-
исходит рассеяние.
химического разделения компонентов облученный образец пе-
Потеря энергии р-частиц происходит вследствие неупру
реводят в раствор.
гих соударений с ядрами атомов и электронами При этом
Кроме количественного анализа образца, активационный
Р-частица будет всегда отклоняться от исходного направле-
анализ позволяет проводить и качественные исследования, т. е.
ния движения на угол, который зависит от исходной энергии
идентифицировать образовавшиеся радионуклиды. Это мож-
частицы, и от энергии, потерянной ею при взаимодействии
но сделать, опираясь на три ядерно-физические характеристи-
При упругом рассеянии Р-частица изменяет направление
ки: тип испускаемого излучения, период полураспада и энер-
движения, но полная энергия системы не меняется. Угол, на
1ия испускаемого излучения. Некоторые трудности появля-
который отклоняется частица, зависит от ее скорости и от
ются, когда нужно провести распознавание состава сложных
массового числа элемента. Масса Р-частицы и атомного ядра
смесей. 1$ этом случае смесь сначала разделяют на компонен
очень различаются, поэтому частица отклоняется сильно, осо
РЫ, я затем идентифицируют каждый из них в отдельности.
бенно если р излучение имеет низкую энергию Кроме того,
отклонение на большой угол возникает и тогда, когда Р час
4. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ тица пролетает вблизи ядра. Но чаще всего Р частицы дви-
жутся на большом расстоянии от ядра и отклоняются на мень
НА ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
шие углы
С ВЕЩЕСТВОМ
Анализ по Р-поглощению основан па том, чго поглоше
Провести анализ нерадиоактивного вещества можно без ние р-излучения зависит от отношения заряда к массовому
его активации. Часто используются реакции взаимодействия
ядерного и рентгеновского излучений с веществом, которое числу исследуемого элемента "7 • Обычно это отношение
их поглощает или рассеивает, но активация исследуемого ве-
щества не происходит. В основе методов, базирующихся на колеблется в пределах от 0,4 до 0,5, но исключение согтавля т
этом явлении, лежат следующие принципы-
упругое рассеяние сс-частиц; водород ˜т = Н поэтому его поглощающая способность идвог
поглощение и рассеяние (3-частиц и у квантов; VA )
возникновение рентгеновского характеристического больше, чем у остальных элементов, т е если в анализируе
излучения; мом веществе вместе с водородом находится еще какой-гш-
будь один элемент, ти измеряя поглощение Р-излучения в
поглощение и замедление нейтронов И др.
92 Физика

анализируемом образце, можно определить его с высокой точ- разности энергии исходного у-кванга и энергия электрона в
ностью. атоме.
Другой способ использования анализа по поглощению (3-из- После высвобождения электрона происходит мгновенное
лучения основан на том, что с изменением химического соста- заполнение электронного уровня, сопровождавиееся характе-
ва вещества изменяется его плотность. В случае двухкомпо- ристическим рентгеновским излучением. Энергия этого излу-
нентной системы можно, измеряя поглощение, определять кон- чения часто сразу же передается наиболее слабо связанному
центрации растворов и составы смесей (т. е. осуществлять наружному электрону, который вылетает из это* а. Такие алек-
количественный анализ). Однако это возможно только в слу- троны называются электронами Оже. Фотоэлектроны теряют
чае абсолютного отсутствия примесей в исследуемой системе. свою энергию в тех же процессах, что и Р-излуч;ние.
В методе р-рассеяния измеряют интенсивность Р-излу- Анализ по поглощению у-квантов основан на изменении
чения, рассеянного анализируемым образцом. Эта интенсив- плотности потока у- или рентгеновского излучения при про-
ность является индивидуальной характеристикой элемента. хождении через вещество. Степень поглощения фотонного
излучения является основной характеристикой вещества в
этом методе..
4.3. Метод анализа, основанный
Методы анализа, основанные на рассеянии у-излучения,
на поглощении и рассеянии у-излучения
используются в тех случаях, когда к исследуемому образцу нет
доступа с двух сторон. В основе метода лежит тот факт, что
При взаимодействии у-квантов, энергия которых мала, с
интенсивность рассеянного у-излучения зависит - т энергии па-
>
веществами большую роль играет фотоэлектрический .эффект
дающего излучения, атомного номера определяемого элемента,
(фотоэффект;. Это явление состоит в том, что практически
толщины образца и схемы исследования. При возрастании за-
вся энергия у-кванта передается одному из электронов атома,
ряда определяемого элемента в анализируемом образце увели-
который из-за избытка энергии отрывается от атома. Испус-
чивается плотность потока рассеянного у-излуч( ния.
каемый электрон приобретает кинетическую энергию, равную




ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОСТИЖЕНИЙ СОВРЕМЕННОЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

.1. Ядерная физика в химии.
2. Ядерная физика в археологии.
3. Ядерная физика в медицине.
4. Ядерная физика в геологии.


Однако Чернобылъская катастрофа поставила под сомне-
Ядерная физика — относительно молодая наука, но тем-
ние идею использования ядерной энергии как оптимальной
пы ее развития настолько высоки, что уже сегодня достиже-
ния физиков-ядерщиков поражают своей масштабностью. альтернативы природным источникам энергии Кроме того, с
Благодаря ядерной физике промышленность вооружи- каждым годом все острее встает проблема захоронения ядер-
лась атомными электростанциями и реакторами для опресне- ных отходов, а ядерное оружие до сих пор остается одним из
ния, воды и получения трансурановых элементов. Кроме того, опаснейших видов вооружения. Участившиеся в последнее
были изобретены источники у-излучения для дефектоскопии, время техногенные катастрофы поставили пере:; учеными но-
активацййнный анализ для экспресс-определения примесей в вую задачу — научиться использовать ядерную физику, мак-
сплавах, угле и т д Огромное значение имеют изотопные ис- симально обезопасить окружающую среду и человека от воз-
точники тока и тепла Их применяют для энергоснабжения можных негативных последствий
труднодоступных районов и автоматических станций (например,
метеорологических или спутников Земли). Источники у-излуче-
ння применяются для автоматизации различных операций (на- 1. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА В ХИМИИ
пример, Измерение плотности среды, толщины слоя угольного
пласта и 1. д.;. Основное применение радионуклидов и радиоактивного
В сельском хозяйстве нашли применение установки для излучения в химии — область анализа качественного-и коли-
облучения овощей и фруктов, с целью предохранения их от чественного состава вещества. Эта отрасль химического зна-
гниения и плесени. Кроме того, разработаны способы выведе- ния получила название раПиоаналитицеской химии
ния новых сортов растений путем генетических трансмутаций. До открытия искусственной радиоактивности число ра-
Неоценима помощь ядерной физики в геологии, медици- дионуклидов, которые были бы пригодны для применения в
не, биологии и многих других областях знаний, так как с ее анализе, было очень ограничено Однако со временем были
помощью можно получать невероятно точные и быстрые ре- разработаны радиоаналитические методы, базирующиеся на
зультаты. - ..•••••• измерении радиоактивности, причем естественнее радиоактии-
Использование достижений современной ядерной физики 93

ные элементы использовались в качестве реагентов, взаимо- постоянно стоит проблема — как определить точный возраст
находки? Ответить на этот вопрос можно, во-первых, опира-
действующих с другими веществами. Гораздо шире радио-
ясь на письменные источники, а во-вторых — о.помощью.ра-
нуклиды стали применяться в анализе только после налажива-
диоуглеродного метода хронологической маркировки иско-
ния производства требуемых искусственных радионуклидов
паемых находок органического происхождения. Изобретатель
в ядерных реакциях. Это и дало толчок к развитию радиоана-
этого метода Либби был удостоен Нобелевской премии по
литической химии.
физике.
Радиоаналитическая химия, возникшая на стыке анали-
тической химии и прикладной радиохимии, использует при Сущность метода заключается в измерении остаточной
качественном и количественном анализе веществ ядерные ха- радиоактивности А найденного предмета и сравнения ее с не-
которым стандартным значением Ао. Существует строгая за-
рактеристики соответствующих нуклидов.
висимость между возрастом предмета и величиной остаточ-
Методы радиоаналитической химии позволяют опре-
» ной радиоактивности, что позволяет точно установить воз-
делить вещества, обнаруживая и измеряя ядерное или ха-
раст находки, т. е. чем сильнее отличается А от Ао, тем старше
рактеристическое рентгеновское, излучение. Причем это
предмет.
излучение может испускать как само исследуемое вещество,
Приведем теоретическое обоснование данного метода.
так и его радиоактивный изотоп. Изотопы могут присут-
Как известно, в процессе жизнедеятельности растения усваи-
ствовать в веществе, добавляться к нему или возникать в
вают из воздуха СО2. Основная часть углерода, входящего с
результате активации. Кроме того, возможна ситуация, ког- 12 13
состав углекислоты -г это изотопы С (99%) и С (= 1%),
да излучение возникает в результате различных процессов,
однако кроме них в состав СО2 входит очень малая (порядка
происходящих с веществом (отражение, поглощение, рас-
10-'°%) примесь радиоактивного углерода "С, который возни-
сеяние и т. д.). . - . . . . ; . .
кает в результате ядерной реакции в атмосферном азоте:
Доказано, что интенсивность излучения прямо пропор-
циональна концентрации исследуемого вещества. Поэтому наи-,
большее применение радиоаналитические методы имеют прежде
Содержание "С в атмосфере практически не изменяется
всего в количественном анализе. 1 ораздо реже используются
со временем, поэтому процентное содержание "С в живом ра-
методы радиохимического качественного анализа, позволяю-
стении неизменно.
щие определить неизвестный источник излучения по периоду
Период полураспада для "С:
полураспада, типу и энергии испускаемого излучения. 14
т,/2 ( С) = 5 000 лет.
Все методы радиоаналитической химии можно разделить
Таким образом, измерив радиоактивность предмета и
на две группы:
сравнив ее со стандартной величиной, можно определить вре-
— радиохимический анализ;
мя его изготовления.
— радиоаналитические методы.
Аналогично определяется и дата смерти живого суще-
Радиохимический анализ используется для изучения си-
ства. Измерение радиоактивности останков базируется на том,
стем естественных и искусственных радионуклидов.
что в течение жизни животное имеет постоянное число ядер
К группе радиоаналитических методов относятся глав- 14
"С на 1 г углерода; травоядные животные получают С из
ным образом индикаторные методы. Они основываются на
растений, а плотоядные — поедая травоядных.
том, что в анализируемый материал вводится радиоактивный
Несмотря на простоту и относительную универсальность,
изотоп определяемого элемента (или его соединение) в извест-
этот метод имеет ряд недостатков, которые приводят к тому,
ном количестве и с известной активностью. К индикаторным
что анализ становится очень трудоемким. Так, существует опас-
методам относятся:
ность загрязнения образца более молодым углеродом. Учи-
— метод изотопного разбавления; 14
тывая микроколичества С, можно.предположить, что даже
— радиоиммунологический анализ;
незначительные количества молодого углерода могут привес-
— методы радиоактивных реагентов.
ти к огромным погрешностям (например, 0,1% молодого угле-
К радиоаналитическим методам принадлежит также ак-
рода увеличивает радиоактивность образца вдвое, тогда вы-
швашшнный анализ. Он базируется на изучении радионукли-
численный возраст образца окажется меньше истинного на
да, возникшего в анализируемом образце непосредственно в 14
период полураспада С, т. е. на 5 000 лет). Для того чтобы
результате ядерной реакции. С точки зрения практического
избежать этой проблемы, разработаны специальные способы
проведения эксперимента этот метод значительно сложнее ин-
очистки образцов от загрязнения молодым углеродом. Ведь
дикаторного
именно степень очистки, а точнее — остаточное загрязнение
Существуют также неактивационные методы анализа. В
молодым углеродом определяет верхнюю границу примене-
их основе лежат явления поглощения и рассеяния разных ви-
ния радиоуглеродного метода.
дов излучений (а-, Р-, Y"i нейтронного и др.) при их прохожде-
Еще одной проблемой в применении этого метода слу-
нии через анализируемое вещество. Другими словами, неакти-
жит то, что содержание радиоактивного и нерадиоактивного
«ационные методы используют процессы взаимодействия из-
углерода в атмосфере колеблется в пределах нескольких про-
ЛУ'ТГПЙЯ С ИОЩОС+ВОМ.
центов в зависимости от места и времени измерения. Напри-
мер, после взрыва водородной бомбы возникает избыток ра .
диоактивного углерода, а при сжигании больших количеств
2. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА В АРХЕОЛОГИИ
топлива (каменный уголь, нефть) в промышленных районах
наблюдается резкое увеличение содержания нерадиоактивио-
На первый взгляд, ядерная физика не может иметь ниче-
го углерода. Стандартным показателем радиоактивности в JTOM
[о общего с археологией — наукой, изучающей историю чело-
случае выступают годичные кольца многолетних деревьев
вечества, опираясь на найденные материальные ценности (ору-
Дело в гом, что радиоактивность годичного кольца отражает
дия труда, предметы искусства). Однако перед археологами
94 Физика

радиоактивность окружающей среды в том году, когда это диктовано тем, что пробег р-частицы, испускаемой фосфором,
кольцо образовалось. Таким образом, учитывая распад "С во не превышает 8 мм. В отличие от фосфора, радиоактивные
времени, можно с высокой точностью установить возраст ар- йод и золото испускают у-излучение, способнее легко прони-
хеологической находки. зывать ткани тела человека, поэтому они используются в ди-
агностике опухолей внутренних органов. Радиоактивный изо-
топ можно вводить в организм путем инъекций с физиологи-
ческим раствором ( |9 Аи) или в составе веществ, которые хо-
3. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА В МЕДИЦИНЕ
рошо поглощаются диагностируемым органом ( 131 j вводят
вместе с бенгал-роз для оценки состояния печени, вместе с
Способность атомных ядер испускать у-кванты дало воз-
дийодофлуоресцеином или альбумином — для мозга и т д.).
можность использовать их в различных отраслях медицины, и
в первую очередь — в диагностике, лечении и исследовании Кроме того, с помощью радионуклидов изучают пути и
функций разных органов. Малые размеры ядер позволяют им • способы выведения из организма отравляющих веществ, ус-
беспрепятственно проникать в любые уголки организма, а не- воение и выведение лекарственных препаратов, гтоведение мик-
прерывное испускание излучения позволяет точно определить роорганизмов (меченые микробы в эпидемиологии) и т. д.
их местоположение Рассмотрим ряд методов, позволяющих Широко известен метод лучевой терапии, базирующийся на
проводить диагностику органов человека. В большинстве слу- воздействии излучением либо на нервную систему, либо не-
чаев они основаны на способности организма накапливать в посредственно на заболевший орган. Применение этого мето-
тканях некоторые химические элементы. Так, например, кост- да возможно благодаря тому, что клетки злокачественного
ная ткань выделяет из организма и накапливает фосфор, каль- образования более чувствительны к облучению, чем обычные
ций и стронций, щитовидная железа — йод, печень — красите- клетки.
ли и т. д. При этом больной и здоровый органы характеризу- Единственным непреодолимым недостатком воздействия
ются разной скоростью накопления веществ. радионуклидов на организм является то, что радиоактивное
излучение вызывает ионизацию атомов и молекул всех ве-
Особо широкое применение нашел у радиоактивный изо-
ществ, образующих организм. Полученные нет ы реагируют с
топ йода I3I J. Его используют при диагностике отклонений щи-
молекулами всех тканей, в том числе и здоровых, что приво-
товидной железы. Здоровая щитовидная железа накапливает
дит к нарушениям в обмене веществ и приостг навливает раз-
до 10% введенного йода в течение двух часов. Если же актив-
множение клеток (в том числе и здоровых). Поэтому в случа-
ность железы-повышена (т. е. за то же время она накапливает
ях использования лучевой терапии особое внимание уделяет-
гораздо больше йода) или понижена, то налицо нарушение
ся тому, чтобы максимально оградить здоровые ткани от воз-
нормального режима ее функционирования, т е. болезнь.
действия облучения.
Количество накопленного железой йода определяется
у-счетчиками, улавливающими у-излучение радиоактивного
изотопа. Для здорового органа существует оптимальная ин-
тенсивность излучения по прошествии определенного време- 4. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА В ГЕОЛОГИИ
ни. Сравнивая это значение с полученным экспериментально,
можно сделать вывод о состоянии органа. Нетрудно предположить, что залежи минералов, облада-
Исследование работы печени также можно проводить с ющих естественной радиоактивностью, обнаружить неслож-
I31
помощью изотопа J, если пометить им специальный органи- но. Методы их обнаружения сводятся к регистрации их излу-
ческий краситель бенгал-роз. Этот метод базируется на том, чений, причем для предварительной разведки достаточно ана-
что введенная в организм (точнее, в кровь) краска выводится лиза, проведенного с самолета. Однако ядерная физика помо-
только через печень. Скорость перехода краски из крови в гает решать и более сложные задачи, а именно — обнаружи-
печень, время задержки в печени и скорость выведения из вать месторождения минералов, которые не имеют естествен-
печени во внешнюю среду определяются состоянием печени. ной радиоактивности. В этом случае разведка ископаемых
Если скорости перехода и выведения уменьшаются, а время проводится нейтронами и у-квантами, а иногда .1 электронами.
задержки увеличивается, это сигнализирует о заболевании Если породу облучать у-квантами, то будет происходить
печени. Изменение концентрации красителя в печени устанав- рассеяние и поглощение излучения породой. Поглощение у-кван-
ливают, регистрируя у-счетчиком интенсивность излучения тов приводит к образованию нейтронов, регистрируя интен-
13I
изотопа J. Этот метод можно применять и для диагностики сивность которых можно сделать выводы о характере поро-
заболеваний почек, но используя другой препарат. ды. Важную информацию несут также интенсивность рассеян-
ных у-квантов и степень их поглощения. Например, по рассе-
Радионуклиды используются для выявления злокаче-
янию и поглощению у-излучения судит о влажности и плотно-
ственных образований в различных органах. Диагностика он-
сти породы, по числу образующихся нейтроном — о содержа-
кологических заболеваний основана на том, что клетки опу-
нии в породе бериллия, а в воде — дейтерия.
холи накапливают радиоактивный препарат иначе, чем здоро-
32
вые ткани. Некоторые изотопы (например Р) накапливаются Что касается облучения нейтронами, то здесь объем ин-
в опухолевых клетках гораздо активнее, чем в здоровых. При- формации, которую можно получить, гораздо больше, чем в
чина состоит в том, что соединения фосфора являются бога- предыдущем методе. В породе нейтроны могут испытывать
тым источником энергии, которая необходима для роста зло- последовательные упругие и неупругие соударения с атомны-
качественных тканей ми ядрами. Процессы, происходящие при этом, существенно
различаются, что позволяет разработать методы распознава-
Для выявления опухолей также используются радиоак-
ния большого количества атомных ядер, а значит точно опре-
тивный йод 13IJ и коллоидное золото 193Аи. Фосфор 3 2 Р в ос-
делять свойства ископаемых.
новном используют для диагностики опухолей, возникающих
около поверхности тела или в легкодоступных местах (кожа, Рассмотрим подробней, какие процессы имеют место при
мягкие ткани конечностей, гортань, пищевод и т. д.). Это про- взаимодействии нейтронов с ядрами атомов.
Элементарные частицы 95

В результате неупругих взаимодействий идут реакции по- ники (у или в) и детекторы (у или п), можно моделировать И
глощения нейтрона с испусканием протона, а-частицы или анти- изучать любой из процессов взаимодействия у-излучения и
нейтрона. Это приводит к возникновению новых — радиоактив- нейтронов с ядрами. На основе этого выделяют л-п-каротаж,
ных — ядер и частиц. Нейтрон при этом может либо перейти в у-у-каротаж, y-n-каротаж и т. д. Существует также у-каротаж,
состав образующегося ядра, либо лишиться части своей энергии. с помощью которого можно определять фоновую радиоак-
тивность у-радиоактивных пород.
Упругое рассеяние приводит к замедлению нейтрона (т. е
он теряет свою энергию постепенно; в процессе перемещения В качестве источников уквантов используют искус-
по породе. В результате нейтрон либо превращается в тепло- ственно-радиоактивные изотопы кобальта, цезия и др., в каче-
вой нейтрон, либо поглощается ядром атома. Параметрами, стве источников нейтронов — Ро-Ве- или Рц-Ве-источники и
характеризующими среду, в этом случае выступают интенсив- испульсные нейтронные генераторы.
ность рассеянных нейтронов, время замедлений быстрого ней- Использование каротажа позволяет точно определить В Д И
трона и расстояние, которое он пройдет за это время ископаемого. Например, у-у-каротаж выделяет угольные пласты,
Тепловой нейтрон (т. е. нейтрон, кинетическая энергия п-п- и я-у-каротаж дают возможность выделять водородсодер-
жащие пласты (т. е. породы, насыщенные водой или нефтью) и
которого в результате соударений сравнялась с энергией теп-
породы, которые способны усиленно поглощать нейтроны (бор,
лового движения атомов) будет перемещаться по породе до
хлор и т. д. /. Если же два последних метода применять совмест-
тех пор, пока не поглотится атомным ядром. При этом свой-
но, то можно различать воду и нефть, т. к. подземная вода обыч-
ства среды определяют интенсивность тепловых нейтронов,
но сильно засолена (содержит NaCl и другие соли).
время жизни и путь, пройденный ими до поглощения. Часто
эти данные используются для определения содержания в сре- Следует отметить, что полезными ископаемыми богато
де водорода (вода, нефть) и солей. дно морей и океанов. Разведка этих залежей стала намного
В результате поглощения медленных и тепловых нейт- проще и эффективнее благодаря методам, основанным на ядер-
ронов происходит излучение у-кванта и образование искус- ных реакциях.
ственно-радиоактивных ядер. Параметрами, зависящими от Облучение поверхности дна океана нейтронами сообща-
ет ядрам атомов, входящих в состав грунта, наведенную ра-
свойств среды, являются характер радиоактивности ядер ((3,
диоактивность. Обнаруживается она с помощью у-детектора.
у), период полураспада, интенсивность испускаемых частиц и
Ядерный состав породы при этом определяется благодаря тому,
их энергия.
что энергия испускаемых разными ядрами у-квантов и период
В силу того что расстояние, которое частица проходит в
полураспада - индивидуальные характеристики атома опре-
породе, достаточно мало, необходимо, чтобы источник излу
деленного вида. Технически это осуществляется с помощью
чения, детектор и исследуемая среда находились на расстоя-
специального ядерного зонда, представляющего собой запа-
нии не более нескольких десятков сантиметров. Поэтому ос-
янную вакуумную ускорительную трубку, в которой осуще-
новной областью применения этой методики является иссле-
ствляется ядерная реакция генерирования нейтронов:
дование нефтяных, газовых, угольных, рудных и др. скважин.
Этот метод исследования носит название радиоактивного ка-
ротажа скважин. Для его осуществления в скважину опуска-
Пучки нейтронов, полученные этим методом, могут об-
ют глубинный прибор, состоящий из источника и детектора
ладать энергией до 14М.В
излучения, которые разделены экраном. Комбинируя источ-




ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
План
1. Основные характеристики элементарных частиц.
1.1 Масса и заряд элементарных частиц.
1.2. Спин элементарных частиц и микрообъектов.
2. Классификация элементарных частиц.
2.1. Лептоны. Мюоны.
2.2. Адроны. МезонЫ Гипероны.
3 Античастицы.
4 Превращения элементарных частиц.
5 Взаимодействия элементарных частиц.


повить их структуру. Но свойства многих частиц изучены до-
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
статочно хорошо
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
'Зарождение физики элементарных частиц можно итиег-
ти к 90 м годам девятнадцатого столетня, когда был открыт
Элементарные частицы - простейшие частицы в составе
элоктрон (е) Следим за ним ученым стали известны Протон
атома Современный уровень знаний не позволяет точно уста
96 Физика

(р) и фотон (у). Дальше события развивались настолько бур- ной частицы, настолько же фундаментальное, как заряд или
но, что это до сих пор вызывает изумление. 1932 год вошел в масса. Его можно объяснить как момент импульса элементар-
историю физики под названием «года чудес». Первым появи- ной частицы, который не связан с ее движением и не зависит
от внешних условий.
лось сообщение английского физика Дж. Чедвика об откры-
тии нейтрона (п). Затем американцу К. Андерсону при помо- Иногда под спином подразумевается врашерше элементар-
щи камеры Вильсона удалось обнаружить в космическом из- ной частицы вокруг своей оси, но это неверно. Спич нельзя по-
лучении позитрон {е*) - античастицу электрона. В то же вре- нимать как вращение, он обозначает лишь наличие у частицы
возможностей для этого. Чтобы внутренний момент импульса
мя широко развернулись исследования, призванные определить
превратился в классический момент импульса (то есть частица
свойства этих новых частиц. Было выяснено, что свободный
действительно начала бы вращаться), необходимо выполнение
нейтрон превращается не в две частицы - протон и электрон , а
условия s » 1 , где 5 — спин частицы. Это условие невыполнимо,
в три — протон, электрон и некую новую частицу. Э. Ферми дал
потому что максимально возможное значение спина равно 1.
ей название «нейтрино» (v), а В. Паули теоретически обосновал
ее свойства. В 1953 году Райнес и Коуэн смогли эксперименталь- Спин микрообъекта, например ядра, складывается из спи-
но подтвердить существование нейтрино. нов нуклонов и орбитальных моментов импульса нуклонов,
Физика элементарных частиц наглядно доказала, что да- обусловленных движением нуклонов внутри я ара.
леко не все физические процессы укладываются в рамки клас- Изучение спина элементарных частиц позволило сделать
сической электромагнитной модели. Две новые частицы — ней- выводы об их поведении среди других частиц. Спин частиц мо-
жет быть целым или дробным. Это и является о;нованием для
трон и позитрон — выявили узость восприятия мира физичес-
деления частиц на бозоны и фермионы.
ких явлений, опиравшегося исключительно на теории элект-
Бозоны — частицы с целочисленным или нупевьш спином.
ромагнитного и гравитационного взаимодействий. Оказалось,
Они описываются симметричными волновыми функциями и под-
что стабильность электронов, протонов и фотонов — это ис-
чиняются статистическому распределению Бозе- Эйнштейна.
ключение в природе элементарных частиц, ведь все остальные
Фермионы — общее название частиц с нецелочислен-
элементарные частицы способны либо произвольно, либо' в
ным спином. Они описываются несимметричными волновы-
результате столкновений превращаться в другие частицы.
ми функциями и подчиняются статистическому распределе-
Все это позволило физикам предположить, что существо-
нию Ферми—Дирака. Сложные образования (ядра атомов),
вуют еще два типа фундаментальных сил: ядерных и слабых.
составленные из нечетного числа фермионов, являются фер-
Однако понадобится еще немало времени, чтобы эта теория
мионами, то есть имеют нецелочисленный суммарный спин.
приобрела окончательную стройность и завершенность.
Если же микрообъект составлен из четного чиста фермионов,
то его суммарный спин целый, и такие ядра называются бозонами.
1.1. Масса и заряд элементарных частиц
К середине двадцатого века было известно более 30 эле-
ментарных частиц. Тщательное изучение позволило выявить 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
их общие свойства.
Так, основными характеристиками элементарных частиц Элементарные частицы объединяют в три группы:
считают их массу покоя и элементарный заряд. — фотоны, •'
— лептоны;
Массы покоя частиц:
— адроны.
28
электрон тс - 9.1 • 10" г
тг
Группа фотонов включает в себя только OJHV частицу
протон т р - 1836те
фотон, который является носителем .электромагнитного цаяи-
нейтрон т п - 1839т.
модействия.
мюон ти = 207т,,
% мезон mtt=270me
2.1. Лептоны. Мюоны
К-мезон тк˜ ( 9 7 0 - 1750)т,
фотон т.,-0
К группе лептонов относят электрон, мюон, электронное
нейтрино . mv = 0
и мюонное нейтрино и соответствующие аптишетицы Все
Суммарная масса всех частиц, образующих молекулу,
атом или ядро, является массой данного микрообъекта, если лептоны являются фермионами, так как их спин равен ^- Они
ее уменьшить на величину дефекта массы. Дефект массы пря не принимают участия в сильных (ядерных) взаимодействиях
мо пропорционален энергии, которую нужно затратить, чтобы Рассмотрим основные свойства мюона. Впервые обнару-
расщепить микрообъект на элементарные частицы В ядрах жен в 1936 году, v тогда же было установлено, что мюон явля-
атомов, где дефект массы превышает Ют, нуклоны связаны ется жестким компонентом вторичного космического излуче-
между собой наиболее сильно. ния. Он является продуктом распада более тяжелых частиц.
Электрический заряд сложного микрообъекта равен сум- Масса мюона составляет 207т,, что позволяет причислить его
ме зарядов составляющих его частиц. к легким частицам. Заряд мюона численно равен заряду элек-
трона, но мюоны могут быть как положительно (ц*), так и
отрицательно (\г) заряженными.
1.2. Спин элементарных частиц и микрообъектов
Мюоны относят к нестабильным частицам, иремя их жиз-
Спин является очень важной характеристикой как эле- ни составляет 2,2 • 10˜6 с. Они претерпевают самопроизволь-
ментарной частицы, так и всего микрообъекта в целом. ный распад согласно следующей схеме:
Спин элементарной частицы — квантовая величина, ко-
торая не имеет аналога в классической механике и электроди-
намике Это собственное неотъемлемое свойство элементар-
Элементарные частицы 97

в 1013 раз меньше, чем экспериментально установленное. Закон
где o v u и "v^ — соответственно мюонные нейтрино и
сохранения странности 5 объяснил этот факт, а также и то, что
антинейтрино.
гиперон рождается всякий раз в паре с К-мезоном. Следует от-
Мюоны взаимодействуют с ядрами атомов очень слабо, по-
метить, что закон сохранения странности выполняется только
лтому они не MOiyr быть носителями ядерного взаимодействия.
при сильных и электромагнитных взаимодействиях.
2.2. Адроны. Мезоны. Гипероны
3. АНТИЧАСТИЦЫ
Адроны, в отличие от лептонов, могут принимать учас
тие в сильном ядерном взаимодействии. К этой группе отно-
Квантовая теория предсказала существование античас-
сятся нуклоны (протон и нейтрон), мезоны (группа частиц с
тиц задолго до экспериментального доказательства этого.
массой меньшей, чем масса протона) и гипероны (группа час-
Наличие у каждой элементарной частицы античастицы под-
тиц с массой большей, чем масса протона).
тверждается принципом зарядового сопряжения. Действитель-
Мезоны бывают двух типов:
но, каждой частице, за исключением фотона и я°-мезона, соот-
л-мезоны (пионы);
ветствует античастица.
К-мезоны (каоны).
Частица и античастица обладают одинаковой массой и
Нионы были впервые искусственно получены бомбар-
равной продолжительностью жизни в вакууме. Их заряды рав-
дировкой а-частицами атомов Be, С и Си. тс-мезоны сильно
ны по величине и противоположны по знаку. Спин частицы и
взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами; они явля-
античастицы одинаков.
ются главным фактором существования ядерных сил.
Долгое время считалось, что, благодаря сходству характери-
Пионы могут быть положительно (тс*) и отрицательно (;г)
стик, частицы и античастицы должны принимать участие в анало-
заряженными. Численно величина их заряда равна величине за-
гичных процессах (полная симметрия). Позже было доказано,
0
ряда электрона. Кроме того, существуют и нейтральные (я ) пи-
что подобная симметрия характерна только для сильного и элек-
оны.
тромагнитного взаимодействий, а для слабого — нарушается.
Пионы нестабильны. Время жизни заряженных пионов
Процесс столкновения частицы с античастицей, в резуль-
8 16
составляет 2,6 • 10" с, незаряженных — 0,8 -10˜ с.
тате чего возникают другие элементарные частицы или фото-
Самопроизвольно я-мезоны распадаются по следующей
ны, получил название аннигиляция. Первым примером анни-
схеме:
гиляции в физике стало взаимодействие электрона и позитро-
на с образованием двух у-квантов:

0
я -» 2 у. Для создания пары «частица-античастица» требуется энер-
Массы положительно и отрицательно заряженных я-ме- гия, равная или превышающая удвоенную энергию покоя пары.
зонов одинаковы и составляют 273, lme. Масса я°-мезона рав- Это происходит потому, что частицам необходимо сообщить зна-
на 264,1т,, Все мезоны ОТНОСЯТСЯ К легким частицам. Заря- чительную кинетическую энергаю. Например, для создания пары
женные пионы обладают нулевым спином. «протон-антипротон» (р-р) требуется затратить 4,4 ГэВ.
К-мезоны — частицы с нулевым спином и массой 970т с Античастицы могут аннигилировать не только с соответ-
•Известно 4 типа каонов: ствующими им частицами, но и с другими частицами тоже.
К* — положительно заряженный каон; Например, антипротон аннигилирует и с протоном, и с нейтро-
• К".— отрицательно заряженный каон; • ном согласно следующим схемам:
0 0
К и К - нейтральные каоны. 0
р + р—> я* + я + я* + я" + я ;
••
8
Время жизни К-мезонов колеблется в периоде от 10˜ до
р + р -> я* + п * я 0 + я 0 + л°:
-
10
10˜ с. и зависит от их типа. Распад заряженных каонов проис-
ходит согласно следующей схеме: 0 0
Р + п — л* + п + я' + я + я .
> •
Отличие частицы и античастицы состоит не только в раз-
ноименности их' зарядов. Кроме этого, различаются их маг-
К ->гс +л°
нитные моменты. Так, нейтрон (и) и антинейтрон ( п ) отлича-
К - > е + я ° + °уе ются знаком собственных магнитных моментов.
Существует группа элементарных частиц, для которых
Гипероны - тяжелые нестабильные элементарные части-
нет античастиц. Это так называемые истинно нейтральные,
цы массой (2183 - 3273)т е , что превышает массу протона.
частицы. К ним относятся фотон, я°-мезон и г]-мезон (тц *
Известно несколько типов гиперонов: 19
1074т е , время жизни 7 • 10˜ с, при распаде образуются
лямбда (Л°);
л-мезоны и у-кванты). Считают, что истинно нейтральная час-
сигма (1°, ?*, S-);
тица тождественна своей античастице. В силу этого истинно
кси (Е*, S );
нейтральные частицы не способны аннигилировать, зато они
омега (Й ).
испытывают взаимные превращения
Спин гиперонов равен 1/2 (для Q. -гиперона 3/2). Время
10 20
жизни гиперонов составляет Ю" (для 2°-гиперонов 10" с).
Распад гиперонов сопровождается образованием нуклонов и
4. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
легких частиц (л-мезонов, электронов, нейтрино и у-квантов)
Свойства гиперонов позволили выявить еще одну кванто-
Рассмотрим схему распада мюона:
вую характеристику элементарных частиц странность. Дело в
том. что рассчитанное теоретически рпемя жи.чни гиперонов было
98 Физика

На основании этой схемы можно сделать вывод, что мюон ные, как энергия, импульс и момент импульса, для элементарных
состоит из трех элементарных частиц, но это утверждение не частиц также сохраняют свой смысл. Поправки при описании
будет верным. Достаточно принять во внимание тот факт что микрообъектов вносятся на основании идеи квантования физи-
для некоторых частиц существует несколько схем распада. ческих величин и корпускулярно-волнового дуглизма.
Распад частицы — превращение ее в некоторую совокуп-
ность новых частиц, рожденных в результате ее уничтожения.
При столкновениях частиц картина взаимных превращений 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
не менее богата, чем при их распаде. Например, при столкновении
фотона с нейтроном имеют место следующие превращения: В микромире осуществляется четыре типа фундаменталь-
Y + п -* р + п" ных взаимодействий. Из них только два'(гравитационное и
электромагнитное; соответствуют процессам уакромира.
Y + п — п + Я0
»
Гравитационное взаимодействие для процессов микро-
у + п -> п + я 0 + тс" мира настолько мало, что обычно им пренебрегают. Это связа-
Из приведенных схем видно, что сумма масс покоя ко- но главным образом с тем, что массы элементарных частчц очень
нечных частиц больше, чем исходных. Таким образом, энер- малы. Однако оно присуще всем частицам без исключения.
гия сталкивающихся частиц превращается в массу, что не про-
Электромагнитное взаимодействие основано на процес-
тиворечит формуле Эйнштейна:
сах, происходящих с частицей в электромагнитном поле. Для
Д? - hmc2. электронейтральных частиц (нейтрино, антинейтрино, фотон)
оно не осуществляется. Именно электромагнитное взаимодей-
Также из вхем с необходимостью вытекает, что невозмож-
ствие обуславливает существование атомов и молекул, пото-
но расщепить элементарные частицы (в частности нейтроны),
му что связь между ядром и электронами осуществляется бла-
бомбардируя их другими частицами (в данном случае фотона-
годаря их разноименным зарядам.
ми): в действительности происходит не расщепление обстрели-
ваемых частиц, а рождение новых, причем в значительной мере Слабое взаимодействие охватывает процессы, происхо-
это происходит за счет энергии частиц, которые сталкиваются. дящие с участием нейтрино или антинейтрино. Это самое мед-
ленное из всех взаимодействий микромира. К нему относят
Взаимные превращения элементарных частиц имеют свои
такие процессы, как (3- и ц-распады, безнейтрирцые процессы
закономерности, которые перекликаются с законами класси-
10
распада частиц с большим временем жизни (т - 10' с).
ческой физики. Так, очень важен тот факт, что для элементар-
Сильное взаимодействие проявляет себя t связи прото-
ных частиц тоже применимы законы сохранения их фунда-
нов и нейтронов в ядре, хотя ядерные силы — это только част-
ментальных характеристик. Например, для элементарных час-
ный случай сильного взаимодействия.
тиц выполняется закон сохранения электрического заряда:
Основные свойства ядерных сил.
при любом взаимном превращении частиц алгебраические сум-
1. Ядерные силы — это силы притяженкк, гак как они
мы электрических зарядов исходных и конечных частиц рав-
удерживают нуклоны внутри ядра; в том числе апй обеспечи-
ны. Это позволяет сразу исключить из рассмотрения те схемы,
вают связь между одноименно заряженными протонами. При
где данное условие не выполняется.
очень тесном сближении нуклонов ядерные силы между ними
Но как обстоит дело в мире микрообъектов с описанием
имеют характер отталкивания.
их движения и состояния? Известно, что в классической меха-
2. Ядерные силы —это не электрические :илы, потому
нике на этот вопрос отвечают законы сохранения энергии (1),
что они действуют не только между заряженными протонами,
импульса (2) и момента импульса (3):
но и нейтронами, не имеющими заряда. Они также не являют-
AU-Q-A, (1)
ся гравитационными силами, которые ничтожно малы для
где Д1] — изменение внутренней энергии системы; объяснения ядерных эффектов.
Q - теплота, сообщенная системе;
3. Радиус действия ядерных сил (1 - 2)10"13 см. При боль-
А - работа, совершенная системой над внешними телами.
ших расстояниях между частицами ядерное вгшмодействие
(2)
my^mPt не проявляется, поэтому его называют короткодействующим,
то есть ослабевающим с увеличением расстояния.
где тр т2 - масса тел 1 и 2;
4. В области своего действия ядерные силы очень интен-
Vt, Уг • скорость тел 1 и 2.
сивны. Их интенсивность значительно больше интенсивности
I - const, (3)
электромагнитных сил, то есть ядерные силы удер живают внут-
где L — момент импульса замкнутой системы.
ри ядра одноименно заряженные протоны, между которыми
Все законы сохранения являются следствиями опреде- имеет место сильное электрическое отталкивание.
ленных свойств пространства и времени. Установлено, что ядерные силы в 100 - 1000 раз меньше
Время однородно, то есть протекание физических про- времени электромагнитного взаимодействия:
цессов не зависит от того, какой момент выбран в качестве 23
т г а =10- с,
начала отсчета. Следствием однородности времени является
где тял — ядерное время.
закон сохранения энергии.
Замечено, что при взаимодействии нейтрона и протона
Все точки в пространстве физически равноправны, что
может происходить обмен электрическими зарядами между
позволяет считать однородным пространство. Следствием это-
этими частицами. В результате этого нейтрон превращается в
го является закон сохранения импульса.
протон, а протон - в нейтрон. Квантово-механический анализ
Закон сохранения момента импульса является следстви-
этого свойства ядерных сил позволил установить,что ядерное
ем изотропности пространства, то есть физического равнопра-
взаимодействие нуклонов осуществляется за гЧет я-мезонов,
вия впек направлений в пространстве.
которые являются квантами ядерного взаимодействия (апа*
Еше ни один эксперимент не доказав, что в микромире эти
логично фотонам квантам электромагнитного поля).
законы не выполняются, поэтому такие динамические перемен-
ЭФФЕКТ ЗАМЕДЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ
В СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО)
План
1. Доэйнштейновская физика
2. Ньютоновская Вселенная
3. Опыт Майкельсона
4. Мысленный опыт Эйнштейн'
5. Первый постулат СТО
6. Связь скорости с другими физическими категориями
7. Замедление времени


Специальная теория относительности — это один из ве- тело, а наша система отсчета. Такая система отсчета относится к
личайших шедевров человеческой мысли, тот случай, когда неинерциальным. Классическая ньютоновская механика утверж-
точная наука в каком-нибудь проявлении превосходит саму дает, что во всех инерциальных системах отсчета законы меха-
собя и становится актом художественного искусства. ники действуют одинаково.
Человек, постигший основы специальной теории относи-
тельности, по праву может гордиться этим, как гордится аль-
пинист, покоривший известную вершину. 2. НЬЮТОНОВСКАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Специальная теория относительности объясняет, как во
Вселенной связаны между собой и ведут себя по отношению Рассуждаем дальше. Для простоты представим, что вся Все-
друг к другу основные физические величины. ленная умещается в небольшой квадратной комнате, которая
К сожалению, всю специальную теорию относительности не- равномерно заполнена неким эфиром и неравномерно - всяки-
возможно доходчиво изложить в объеме одного реферата, поэто- ми иными телами. Пространство на протяжении всей этой «Все-
му вниманию слушателей предлагается лишь часть материала. ленной» — одно и то же, оно нигде не прерывается. Значит, мож-
но предположить, что для всей Вселенной можно выбрать одну
неподвижную точку отсчета (в центре) и от нее сквозь все про-
странство провести координатные оси. Таким образом, местона-
1. ДОЭЙНШТЕЙНОВСКАЯ ФИЗИКА
хождение всех тел во Вселенной можно определить относитель-
Еще в начале XX века в физике господствовали пред- но одной-единственной, инерциальной системы отсчета. Именно
ставления, основанные на классической ньютоновской меха- так полагал гениальный физик Исаак Ньютон, а вслед за ним и
нике. Вселенная представлялась физикам в виде бесконечно- все другие физики. Причем такую единую инерциальную слете
го трехмерного пространства, равномерно заполненного неве- му Ньютон связывал именно с эфиром, так как, по его мнению,
домой сущностью с чудесными свойствами — «эфиром», в только это вещество не могло обладать ускорением.
который погружены звезды и все другие космические тела.
•«Эфир» считался тем веществом, в котором распространяют-
ся электромагнитные волны. 3. ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА
Для описания механического движения в такой вселенной
выбирается какая-либо точка отсчета и система координат, прохо- Теперь представьте, что вы с постоянной скоростью еде
дящая через эту точку. Вместе это называется системой отсчета. те в автобусе по ровной дороге, которая одновременно явля
ется осью координат в некой инерциальной системе отсчета.
По этой же дороге с одинаковой скоростью мчатся два авто
Виды систем отсчета мобиля, один — навстречу вам, другой — вас догоняет. Есте-
ственно, что относительно вашего автобуса, встречный авто
Для понимания сути предмета крайне важно уяснить зна-
мобиль будет ехать быстрее, а догоняющий - медленнее. Те-
чение понятия «инерциальная система отсчета». Инерциаль-
перь вообразите, что дорога, по которой идет ваш автобус —
н'ая система отсчета — это такая система отсчета, в которой
это «эфир», автобус — это планета Земля (которая несется
выполняется первый закон Ньютона. Просто говоря, если на
сквозь космос по круговой орбите со скоростью 30 км/с), а
тело не действуют никакие силы, то оно или неподвижно по-
оба автомобиля, едущие с одинаковой скоростью - это волны
коится, или движется прямолинейно с одной и той же скоро-
света. Таким образом, получается, что относительно Земли,
стью, без ускорения. Если такое тело внести в инерциальную
движущейся в неподвижном «эфире», т. е. в единой инерци
систему отсчета, то относительно ее координат оно будет все
альной системе отсчета, световые волны должны иметь раз-
также покоиться либо двигаться равномерно прямолинейно.
ную скорость. Скорость того света, который «догоняет» Зем-
Представим другой случай. На тело не действуют никакие
лю, должна быть немного меньше скорости «встречного» све-
силы. Определяем местонахождение этого тела в выбранной
та. Физики были очень удивлены, когда опыт, поставленный в
нами системе отсчета и находим, что ... тело движется с уско-
1881 году Майкельсоном, не подтвердил этого предположе-
рением относительно какой-либо оси. Но ведь на тело не дей^
ния. Скорость света оставалась постоянной независимо от его
ствуют силы, способные ускорить его, как же Оно может уско-
направления относительно Земли.
ряться' Никак; это значит, что ускоренно движется не само
100 Физика

действует гравитационная сила"' — ответа нет. Вот так же
4. МЫСЛЕННЫЙ ОПЫТ ЭЙНШТЕЙНА
нельзя сказать, почему скорость света везде и г.с огда одинако-
Опыт Майкельсона был многократно повторен и давал ва. Эйнштейн постулировал этот принцип, так же как Ньютон
все тот же результат, объяснить который физики не могли до постулировал принцип гравитационного взаимодействия.
тех пор, пока в 1905 году двадцатишестилетний немецкий уче-

<<

стр. 6
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>