ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

 

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

 

17.10. Відкриття позитрона. Штучна радіоактивність

 

У 1928 р. П. Дірак, розв’язуючи релятивістське хвильове рівняння, показав, що в природі має бути частинка, подібна до електрона, але з позитивним електричним зарядом. Через чотири роки таку частинку експериментально при дослідженні космічного випромінювання виявив К. Андерсон. Вивчаючи космічне випромінювання за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле, він серед інших треків виявив трек, який за своїм виглядом нагадував трек електрона, але був викривлений в інший бік. Спостережуване явище можна було пояснити, якщо приписати цей трек позитивно зарядженій частинці. Проте можливе й інше пояснення: трек належить електрону, що рухається не зверху вниз, як мають рухатись космічні частинки, а навпаки. Додатково проведений експеримент дав змогу визначити напрям руху частинки (зверху вниз) і таким чином підтвердив факт існування позитрона.

Було встановлено, що маса позитрона дорівнює масі електрона. Однаковими виявились також їхні механічні та (чисельно) магнітні моменти. Проте оскільки позитрон має позитивний заряд, то напрям його магнітного моменту на противагу електрону збігається з напрямом механічного моменту.

На початку 30-х років XX ст. крім відкриття нейтронів і позитронів було зроблено ще одне відкриття. У 1934 р. подружжя І. і Ф. Жо- ліо-Кюрі та інші вчені відкрили у випадку ядерних реакцій, що відбуваються при бомбардуванні деяких елементів а-частинками та нейтронами, нові частинки, які реєструються не лише під час опромінення, а й деякий час після опромінення (кілька хвилин, годин і навіть днів). Подружжя Жоліо-Кюрі, Е. Фермі та інші вчені пояснили це тим, що самі продукти ядерних реакцій виявляються радіоактивними, тобто внаслідок таких ядерних реакцій виникають радіоактивні ізотопи, які розпадаються за тими самими законами, що і природні радіоактивні речовини. Це явище самочинного розпаду ядер штучно добутих ізотопів називають штучною (наведеною) радіоактивністю, а самі ізотопи — штучно радіоактивними. Такі ізотопи випромінюють у процесі розпаду переважно електрони або позитрони і γ-фотони. Наприклад, можна дістати радіоактивний 137N. Для цього треба протягом певного часу бомбардувати α-частинками бор:

Проте нуклід 137N нестабільний і розпадається:

При цьому 137N випромінює швидкі позитрони ( β+-випромінювання). Період піврозпаду 137N дорівнює 10 хв.

Аналогічно, бомбардуючи α-частинками алюміній, дістають радіоактивний 3015Р. Нуклід 3015Р, випромінюючи β+-частинки з періодом піврозпаду близько 2,5 хв, перетворюється в стійкий нуклід силіцію. Ядерні реакції, що відбуваються при цьому, можна записати так:

При бомбардуванні 2311Nа швидкими дейтронами утворюється радіоактивний 2411Nа. Нуклід 2411Nа має період піврозпаду близько 15 год. і випромінюючи β--частинки, перетворюється на стабільний нуклід 2412Мg. Схема ядерної реакції така:

Найчастіше їхній розпад супроводжується β-випромінюванням, причому в більшості випадків услід за викиданням електрона чи позитрона випромінюється γ-фотон. Деякі радіоактивні ізотопи дістали при опромінюванні стабільних елементів не потоком частинок, а γ-випромінюванням. Перетворення елементів унаслідок поглинання ядром γ-фотона великої енергії (фоторозщеплення ядра, або ядерний фотоефект) уперше виявив Дж. Чедвік (1934 р). Опромінюючи γ-фотонами торію важкий гідроген, він установив, що поглинання γ-фотона з енергією hν близько 2,2 МеВ переводить ядро важкого гідрогену в збуджений стан, який є нестабільним і закінчується розпадом на протон і нейтрон. Поглинання γ-фотона ядром берилію 94Ве спричинює викидання з ядра протона, внаслідок чого утворюється радіоактивний нуклід 83Li. Для фоторозщеплення більш важких ядер потрібні γ-фотони з енергією близько 10...15 МеВ і більше.

Слід зауважити, що, на відміну від природних радіоактивних речовин, коли існує перетворення одного з ядерних нейтронів у протон, яке супроводжується β--випромінюванням, при штучній радіоактивності спостерігається протилежне перетворення одного з ядерних протонів у нейтрон. Проте не завжди це перетворення супроводжується β+-випромінюванням. Якщо один із внутрішньоядерних нейтронів перетворюється в протон, то при цьому неодмінно виникає (за законом збереження алгебраїчної суми зарядів) електрон. Протилежне перетворення одного з внутрішньоядерних протонів у нейтрон може відбуватись двояко: 1) з виникненням позитрона (спостерігається β+-випромінювання) і 2) без виникнення позитрона із захопленням ядром одного з найближчих до нього атомних електронів (β+-випромінювання не буде). Явище захоплення ядром атомних електронів розглянемо в підрозділі 17.11.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити