Основы физики ядра и элементарных частиц (110

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

1. РАССЕЯНИЕ ЧАСТИЦ. УПРУГОЕ И НЕУПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ, СЕЧЕНИЕ РАССЕЯНИЯ. РАСПАДЫ

Во многих случаях важно бывает исследовать и регистрировать частицы, участвующие в ядерных процессах. Все методы регистрации частиц основаны на взаимодействии заряженных частиц с ядрами, атомами и молекулами вещества, через которые они проходят. Поэтому рассмотрим процессы, происходящие при прохождение заряженных частиц через вещество.

Вплоть до 1910 года в физике главенствовала модель атома Томсона: согласно его модели атом представлял собой положительно заряженную область размерами около 10 –10 м, в которой как бы плавали отрицательно заряженные электроны (рис. 1).

Рис. 1 Рис. 2

В 1911 году Резерфорд решил уточнить размеры атомов. Он провел эксперименты по рассеянию частиц, схема которых изображена на рис. 2. На нем обозначены: 1 – контейнер с радиоактивным элементом; 2 – диафрагма; 3 – металлическая (золотая) фольга; 4 – экран; 5 – сцинтилляционный счетчик. В опытах измерялись углы рассеяния α -частиц ( α =42 He , заряд –

2e+ ). Резерфорд также теоретически решил задачу рассеяния α-частиц на положительных зарядах. Он получил формулу, описывающую рассеяние

3

частицы с зарядом 2e и кинетической энергией К на покоящейся частице с зарядом Ze (формула Резерфорда):

где dN – число рассеянных частиц под углом Θ внутри телесного угла dΩ, N – общее число частиц, n – концентрация рассеивающих ядер, h – толщина фольги.

В соответствии с моделью атома Томсона α -частицы должны рассеиваться на малые углы, и всего одна частица из 103500 частиц должна рассеиваться на угол Θ > 90°. Резерфорд обнаружил, что примерно одна из

вся масса атома должна быть сосредоточена в малой области – ядре.

Таким образом, из опытов Резерфорда вырисовывается планетарная модель атома: в центре маленькое положительно заряженное массивное ядро, вокруг которого вращаются легкие электроны.

В дальнейшем было установлено, что радиус всех ядер подчиняется закону:

R ≈ r0 A3 ,

где r0 = (1,2 −1,3) 10−15 м, A – массовое число, равное сумме нуклонов в ядре.

Наблюдаемое Резерфордом рассеяние α -частиц являлось упругим. Вообще упругим рассеянием частиц называют рассеяние, происходящее без изменения состояния частиц, кроме как изменения направления их движения. Однако рассеяние заряженных частиц часто сопровождается ионизацией атомов, приводящей к потере энергии и торможению частицы. Такое

4

рассеяние называется неупругим. При неупругом рассеянии возможно также рождение новых частиц, изменение структуры сталкивающихся частиц.

Формулу (1) можно представить в виде:

где σ(θ) имеет размерность площади и называется эффективным дифференциальным сечением рассеяния. Полным эффективным сечением рассеяния называют величину

определить как отношение числа рассеянных частиц, прошедших за единицу времени через единичное сечение, к полному числу частиц.

Кроме рассеяния в результате взаимодействия может наблюдаться распад частиц. Вероятность распада частицы в потоке падающих частиц за

Здесь σ – полное эффективное сечение процесса, n – концентрация частиц в потоке, υ – их скорость.

2. СОВРЕМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ, УСКОРИТЕЛИ И ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ

Источниками элементарных частиц являются радиоактивные элементы, космические лучи, ядерные электростанции и т.д.

Все ускорители элементарных частиц можно разделить на три основных класса: линейные, циклические и на встречных пучках. во всех ускорителях используется один принцип ускорения – это прохождение заряженной частицей ускоряющей разности потенциалов. приращение кинетической энергии при этом равно:

5

Обычно в линейных ускорителях применяется ряд ускоряющих каскадов (рис. 3). Самый большой линейный ускоритель действует в

США, его длина составляет более 3 км, а частицы (электроны) ускоряются до энергии 20 ГэВ.

В циклических ускорителях, которые позволяют получить большие энергии, элементарные частицы движутся по спирали или по кругу. Это достигается с помощью магнитов. В магнитном поле на частицы действует сила Лоренца, сообщающая частице центростремительное ускорение:

В результате частица движется по дуге радиуса R . Циклические ускорители делятся на индукционные (бетатрон) и резонансные (фазотрон, синхротрон, синхрофазотрон). В ускорителях на встречных пучках, которые называют коллайдерами, ускоряются и мишень, и частицы, что позволяет существенно увеличить полезную энергию.

Ускорители могут быть использованы в следующих целях:

1.Наблюдение процессов, происходящих внутри атомных ядер и самих элементарных частиц.

2.Наблюдение рождения и исследование свойств новых частиц.

3.Дефектоскопия.

4.Стерилизация объектов (например, при запуске в космос).

Самые крупные ускорители, существующие сейчас, находятся в Европе,

где частицы ускоряются до энергии порядка 540 ГэВ, и в США − до энергии

1ТэВ. Это кольцевые ускорители, их длина около семи километров.

Все методы регистрации частиц рассчитаны на детектирование заряженных частиц. Если частицы являются продуктами каких-то реакций, то можно косвенно зафиксировать и нейтральные частицы.

6

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Различают два вида детекторов: дискретного счета и трековые. Дискретный счетчик Гейгера-Мюллера предназначен для регистрации γ-квантов высокой энергии и заряженных частиц (рис. 4).

Рис. 4 В баллоне инертный газ, частица, пролетая, ионизирует газ, и по цепи протекает ток, усиленный сигнал формирует звуковой или (и) световой импульс.

К трековым детекторам относятся, например, камера Вильсона и пузырьковая камера. В камере Вильсона создается пересыщенный пар,

который конденсируется на центрах конденсации − ионах, образующихся вдоль траектории частицы.

Принцип действия жидководородной пузырьковой камеры таков. Жидкий водород, температура которого всего на 200 выше абсолютного нуля, находящийся в камере при давлении 5 – 6

поле, которое искривляет пути частиц. Зная величину магнитного поля и измеряя радиус кривизны траектории, можно определить импульс частицы и другие параметры. На рис. 5 показаны треки частиц в пузырьковой камере.

В толстослойной фотоэмульсии, которая также относится к трековым детекторам, заряженная частица, пролетая, ионизирует бромид серебра, после чего серебро восстанавливается и проявляется трек.

7

рассмотрим таблицу всех фундаментальных взаимодействий, встречающихся в природе.

Таблица фундаментальных взаимодействий

Перечислим основные характеристики ядер. Число нуклонов в ядре равно массовому числу A . Зарядовое число Z равно числу протонов и равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов в ядре обозначается N .

Ядра с одинаковыми Z называются изотопами. Ядра с одинаковыми A называются изобарами. Ядра с одинаковыми N – это изотоны. Очевидно:

распространены: 1735Cl – 75,53 % , 1737Cl – 24,47 % , поэтому средняя масса элемента Cl равна:

Опытами установлено, что ядро имеет форму, близкую к сферической,

размерами порядка 10−15 м =1Фм («ферми»). Для сравнения диаметр первой боровской орбиты, то есть размер всего атома, порядка 10−10 м.

9

Атомная единица массы (а.е.м.) − это единица измерения массы, в

Удобство такой единицы массы заключается в том, что масса всех ядер в а.е.м. приближенно будет равна их массовому числу. Для всех ядер:

Вычисления дают ρ ≈1014 гсм3 . Для сравнения: у воды ρ =1гсм3 . Если из ядерного вещества сделать шар радиусом 200 м, то его масса будет примерно равна массе Земли.

Спин и магнитный момент ядра

Спин, или собственный момент импульса одной частицы, равен:

протона и нейтрона спиновое квантовое число 1/2. Полный спин ядра складывается векторно из спинов всех частиц, входящих в это ядро:

10