Физика (стр. 48 )

Пример 4. Определить энергию, выделяющуюся при образовании из протонов и нейтронов гелия массой .

Решение. Реакция образования гелия из протонов и нейтронов записывается в виде: . Для вычисления энергии реакции имеем:

Здесь – массы протона, нейтрона и атома гелия. Вычисленная энергия выделяется при образовании одного атома гелия. Масса одного атома гелия равна

.

Здесь – атомная единица массы. Значит, в гелия содержится атомов. Отсюда следует, что энергия, выделяемая при синтезе гелия из протонов и нейтронов, будет равна:

.

5.3. Элементарные частицы

5.3.1. Космическое излучение

Из космического пространства на Землю непрерывно падает поток атомных ядер (в основном протонов) с высокой энергией (до ). Это так называемое первичное космическое излучение. В результате взаимодействия этого излучения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы образуется вторичное излучение, в котором встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы. На высотах ниже космические лучи практически полностью носят вторичный характер.

В составе вторичного излучения выделяют два компонента: мягкий и жесткий. Первый сильно поглощается свинцом, второй обладает в свинце очень высокой проникающей способностью.

Мягкий компонент представляет собой каскад (или ливень) электронно-позитронных пар. Возникший в результате ядерного превращения или резкого торможения быстрого электрона g-фотон, взаимодействуя с атомными ядрами в атмосфере, превращается в электронно-позитронную пар: . Образовавшиеся электрон и позитрон в результате торможения создают g-кванты и т. д. до тех пор, пока энергии g-квантов будет хватать на создание электронно-позитронных пар.

Жесткий компонент вторичного излучения состоит в основном из частиц с массой, равной ( масса электрона). Эти частицы были названы m-мезонами (или мюонами). Существуют положительные () и отрицательные () мюоны; их заряд равен элементарному заряду . Это нестабильные частицы: через самораспадаются по схемам:

; .

Здесь и – электронные нейтрино и антинейтрино; и – мюонные нейтрино и антинейтрино. Мюоны с ядрами взаимодействуют слабо.

Из-за своей ядерной неактивности и неустойчивости мюоны не могут быть носителями ядерного взаимодействия. Это заставило ученых предположить существование ядерно-активных частиц, распад которых приводил бы к появлению мюонов. Такие частицы были обнаружены в космическом излучении и названы мезонами. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К их числу принадлежат p-мезоны (– мезон с зарядом ; – мезон с зарядом ; p0-мезон нейтральный) и K-мезоны (). Время жизни K-мезонов примерно . Эта частица распадается на – мезоны имюоны. Заряженные p-мезоны распадаются на мюоны и нейтрино; p0-мезон распадается преимущественно с образованием g-фотонов: ; ; . p-мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил.

5.3.2. Методы регистрации элементарных частиц

Элементарные частицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут себя обнаружить в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся приборы, которые регистрируют факт пролета частицы и, кроме того, позволяют в отдельных случаях судить об ее энергии. Вторую группу образуют так называемые трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы (треки) частиц в веществе.

К числу регистрирующих приборов относятся сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик.

1. Сцинтилляционный счетчик. Заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы вызывают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называются фосфорами. Наиболее употребительными фосфорами являются (сернистый цинк, активированный серебром) и (йодистый натрий, активированный таллием).

Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет по специальному световоду подается к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов, пропорциональная интенсивности вспышки. Это дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах. Для этого типа счетчиков эффективность регистрации для заряженных частиц 100 %.

2. Черенковский счетчик. Принцип действия этого счетчика рассмотрен в п. 3.3.3. (с. 84). Назначение счетчиков – это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде. Кроме этого, счетчики позволяют разделять частицы по массе. Зная угол испускания излучения, можно определить скорость частицы, что при известной массе равносильно определению ее энергии. Если же масса частицы неизвестна, то она может быть определена по независимому измерению энергии частицы.

Черенковские счетчики устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.

3. Ионизационная камера представляет собой электрический конденсатор, заполненный газом, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизует газ. Напряжение на обкладках конденсатора подбирается так, чтобы все образовавшиеся ионы, с одной стороны, доходили до электродов, не успев рекомбинировать, а с другой – не разгонялись настолько сильно, чтобы производить вторичную ионизацию. Следовательно, на обкладках собираются ионы, возникшие непосредственно под действием заряженных частиц: измеряется суммарный ионизационный ток либо регистрируется прохождение одиночных частиц. В последнем случае камера работает как счетчик.

4. Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра с тонкой проволокой, натянутой по его оси. Цилиндр служит катодом, проволока – анодом. В отличие от ионизационной камеры в газоразрядном счетчике основную роль играет вторичная ионизация. Различают два типа газоразрядных счетчиков: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера. В первых – газовый разряд несамостоятельный, во вторых – самостоятельный.

В пропорциональных счетчиках выходной импульс пропорционален первичной ионизации, т. е. энергии частицы, влетевшей в счетчик. Поэтому эти счетчики не только регистрируют частицу, но и измеряют ее энергию.