Искусственные превращения ядер. Позитрон. Появление и исчезновение пар

Основные явления естественной радиоактивности были изучены в первом десятилетии XX в. Тогда же возникла идея: обстреливая ядра быстрыми частицами, преобразовывать их. Резерфорд пользовался для этого альфа-частицами; в 1918 г. ему удалось получить в камере Вильсона среди многих прямолинейных следов редкие следы, заканчивающиеся «вилкой». Природа прямых следов была уже исследована — они оканчивались вследствие израсходования кинетической энергии альфа-частиц на работу ионизации газа в камере; вилка свидетельствовала о появлении двух быстрых частиц, создающих ионизацию (рис. 16.1). Резерфорд истолковал это как результат попадания альфа-частицы в ядро и последующего распада ядра. Одна из частиц была отождествлена с протоном. Так как камера была заполнена азотом N2, то, следовательно, происшедшая ядерная реакция была такова:

(16.1)

Так впервые в истории науки удалось вызвать искусственное превращение одного элемента в другой.

По мере развития ускорителей и получения все более мощных пучков частиц больших энергий удалось установить,- что ядерные реакции весьма разнообразны и могут происходить под влиянием не только альфа-частиц, но и других частиц, в частности протонов.

Весьма удобными для обстрела ядер оказались и нейтроны: лишенный заряда нейтрон не испытывает кулоновского взаимодействия с ядром, а потому легче проникает в ядро, нарушая его устойчивость и вызывая то или иное ядерное превращение.

В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили поразительное для того времени явление: если длительно облучать некоторые вещества альфа-частицами, то они сами становятся радиоактивными, имея периоды полураспада порядка десятков минут. Так, при бомбардировке бора получается радиоактивный азот. Реакция идет по схеме:

Азот излучает положительные электроны (позитроны — они были открыты раньше) и превращается в углерод:

Последний процесс продолжается и после прекращения облучения. Это явление получило название наведенной или искусственной радиоактивности. В дальнейшем было показан, что искусственная радиоактивность имеет место и при бомбардировке разнообразных веществ протонами, дейтронами или нейтронами. Получающиеся при этом неустойчивые изотопы обладают либо положительной, либо отрицательной бета-активностью.

Так как принципиальной разницы в поведении неустойчивых изотопов искусственного и естественного происхождения нет, то теперь обе радиоактивности можно рассматривать как одно целое.

Рис 16.1

Рис 16.2

Рис 16.3

Позитроны были открыты в 1932 г., когда Андерсон получил в камере Вильсона, перегороженной пластиной свинца, след, показанный на рисунке 16.2. Камера находилась в постоянном магнитном поле с индукцией, направленной за чертеж. Полученный след искривился вследствие действия на двигавшуюся заряженную частицу силы Лоренца. Так как искривление следа в верхней части более значительно, чем в нижней, то скорость частицы соответственно была больше в нижней части следа. Поэтому можно сделать вывод, что частица пронизала свинцовую пластину, летя снизу вверх. Но тогда по правилу левой руки легко определить знак заряда частицы — он положителен. Количественное исследование особенностей следа позволило установить, что частица несет единичный заряд и имеет массу покоя, близкую (в дальнейшем, оказалось, что равную) к массе электрона. Эти частицы были названы позитронами. Они имеют полуцелый спин.

Другое замечательное открытие иллюстрируется снимком, полученным при облучении камеры Вильсона жесткими гамма-лучами — энергия их фотонов превосходит 1 МэВ (рис. 16.3). На рисунке видны два следа, подобные друг другу; они выходят из общей точки, но искривлены магнитным полем в противоположные стороны.

Трактовка этого явления, названного образованием «пар», такова: в поле одного из ядер гамма-фотон превращается в «пару» — электрон и позитрон; реакция идет с выполнением законов сохранения. Так как массы покоя позитрона и электрона в энергетических единицах равны 0,51 МэВ, то избыток энергии переходит в кинетическую энергию членов пары.

Присутствие тяжелого ядра необходимо, так как при образовании пары оно берет на себя часть импульса фотона.

Дело в том, что для фотона отношение импульса к энергии есть

а для быстрых электронов, умеющих массу покоя, это отношение меньше:

Но так как энергии равны, то получается:

т. е. верхний предел суммы импульсов электронов меньше, чем импульс фотона. Ядро, в электрическом поле которого происходит превращение, может принять на себя избыток импульса.

Одновременно был открыт и обратный процесс — превращение пары «электрон — позитрон» в два гамма-фотона. При этом по-прежнему сохраняются суммарные энергия и импульс. Последнее возможно лишь при условии, что одновременно рождаются два фотона; действительно, если импульсы взаимодействующих заряженных частиц равны по модулю и противоположны по направлению, то и после превращения импульс должен быть равен нулю, а это требует появления не менее чем двух фотонов.

По тем же причинам (избыток импульса) невозможно поглощение фотона свободным электроном. Поглощение становится возможным, если электрон входит в состав микросистемы (атом, молекула) или в состав большого коллектива частиц (электрон в металле при фотоэлектрическом эффекте).

В природе свободные позитроны не встречаются. Появившись, например, в результате ядер ной реакции, позитрон через некоторое время взаимодействует со случайным электроном, превращаясь в гамма-фотоны.

Оба эти эффекта имеют огромное значение для понимания свойств материи. Возможность превращения частиц, вещества в «частицы» электромагнитного поля — фотоны, как и обратное превращение, свидетельствует о тесной связи двух видов материи, ранеепротивопоставлявшихся друг другу, так как в макромире подобные взаимные превращения не наблюдаются.