Міністерство освіти і науки РФ
ГОУ ВПО «Кемеровський ГОСУДАРСТВННИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
РЕФЕРАТ
Елементарні частинки
Виконала:
Студентка гр. Х-053
Тарасова К. У
Перевірила:
Журавльова Л. В.
Кемерово, 2007
Зміст
Методи спостереження елементарних частинок
Види взаємодій
Склад атомних ядер
Взаємодія нуклонів в ядрі
Основні характеристики, систематика частинок
Радіоактивність
Найпростіші ядерні реакції
Поділ ядер
Ланцюгова реакція
Список літератури
Методи спостереження елементарних частинок
Елементарні частинки вдається спостерігати завдяки тим слідах, які вони залишають при своєму проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульсі і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з яким-небудь ядром. Отже, нейтральні частки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.
Прилади, що застосовуються для реєстрації іонізуючих часток, поділяються на дві групи. До першої групи належать пристрої, які реєструють факт прольоту частинки і дозволяють судити про її енергії. Другу групу утворюють трекові прилади, тобто прилади, що дозволяють спостерігати сліди частинок в речовині. До числа реєструючих приладів відносяться іонізаційні камери та газорозрядні лічильники. Широке поширення отримали черенковських лічильники та сцинтиляційні лічильники.
Заряджена частинка, пролітають через речовину, викликає не тільки іонізацію, а й збудження атомів. Повертаючись до нормального стану, атоми випускають видиме світло. Речовини, в яких заряджені частинки збуджують помітну світлову спалах (сцинтилляция), називають фосфорами. Фосфор бувають органічні і неорганічні.
Сцинтиляційний лічильник складається з фосфору, від якого світло подається за спеціальним светопроводу до фотопомножувача. Імпульси, що виходять на виході фотопомножувача, піддаються рахунку. Визначається також амплітуда імпульсів (яка пропорційна інтенсивності світлових спалахів), що дає додаткову інформацію про реєстрованих частинках.
Лічильники часто об'єднуються в групи і включаються так, щоб реєструвалися тільки такі події, які відзначаються одночасно декількома приладами, або тільки одним ним з них. У першому випадку говорять, що лічильники включені за схемою збігів, у другому - за схемою антизбігів.
До числа трекових приладів відноситься камери Вільсона, бульбашкові камери, іскрові камери і емульсійні камери.
Камера Вільсона. Так називають прилад, створений англійським фізиком Ч. Вільсоном в 1912 р. Доріжка з іонів, прокладена летить зарядженою часткою, стає видимою в камері Вільсона, тому що на іонах відбувається конденсація пересичених парів будь-якої рідини. Прилад працює не безперервно, а циклами. Порівняно короткий час чутливості камери чергується з мертвим часом (у 100-1000 разів більшим), протягом якого камера готується до наступного робочого циклу. Пересичення досягається за рахунок раптового охолодження, що викликається різким (адіабатичним) розширенням робочої суміші, що з неконденсуючий газу (гелію, азоту, аргону) і пари води, етилового спирту і т. п. У цей же момент проводиться стереоскопічне (тобто з декількох точок) фотографування робочого об'єму камери. Стереофотографії дозволяють відтворити просторову картину зафіксованого явища. Так як відношення часу чутливості до мертвого часу дуже мало, доводиться іноді робити десятки тисяч знімків, перш ніж буде зафіксовано будь-яку подію, що має невеликий ймовірністю. Щоб збільшити ймовірність спостереження рідкісних явищ, використовуються керовані камери Вільсона, у яких роботою розширювального механізму управляють лічильники частинок, включені в електронну схему, що виділяє потрібну подію.
Бульбашкова камера. У винайденої Д. А. Глезер в 1952 р. бульбашковій камері пересичені пари замінені прозорою перегрітої рідиною (тобто рідиною, що знаходиться під зовнішнім тиском, меншим тиску її насичених парів). Пролетіла через камеру іонізуюча частка викликає бурхливий скипання рідини, внаслідок чого слід частки виявляється позначеним ланцюжком бульбашок пари - утворюється трек. Бульбашкова камера, як і камера Вільсона, працює циклами. Запускається камера різким зниженням (скиданням) тиску, внаслідок чого робоча рідина переходить у метастабільного перегріте стан. В якості робочої рідини, яка одночасно служить мішенню для пролітають через неї часток, застосовуються рідкий водень (в цьому випадку потрібні низькі температури).
Іскрові камери. У 1957 р. Краншау і де-Біром був сконструйований прилад для реєстрації траєкторій заряджених частинок, названий іскровий камерою. Прилад складається з системи плоских паралельних один одному електродів, виконаних у вигляді каркасів з натягнутою на них металевою фольгою або у вигляді металевих пластин. Електроди з'єднуються через один. Одна група електродів заземлюється, а на іншу періодично подається короткочасний (тривалістю 10 -7 сек) високовольтний імпульс (10 - 15 кВ). Якщо в момент подачі імпульсу через камеру пролетить іонізуюча частинка, її шлях буде відзначений ланцюжком іскор, проскакують між електродами. Прилад запускається автоматично за допомогою включених за схемою збігів додаткових лічильників, що реєструють проходження через робочий об'єм камери досліджуваних частинок. У камерах, наповнених інертними газами, межелектродное відстань може досягати декількох сантиметрів. Якщо напрямок польоту частинки утворює з нормаллю до електродів кут, що не перевищує 40 °, розряд у таких камерах розвивається у напрямку треку частинки.
Метод фотоемульсій. Радянські фізики Л. В. Мисовської і А. П. Жданов вперше застосували для реєстрації елементарних частинок фотопластинки. Заряджена частинка, проходячи через фотоемульсію, викликає таку ж дію, як і фотони. Тому після прояви платівки в емульсії утворюється видимий слід (трек) пролетіла частинки. Недоліком методу фотопластинок була мала товщина емульсійного шару, внаслідок чого виходили повністю лише треки частинок летять паралельно площині шару. У емульсійних камерах опроміненню піддаються товсті пачки (вагою до декількох десятків кілограмів), складені з окремих шарів фотоемульсії (без підкладки). Після опромінення пачка розбирається на шари, кожен з яких виявляється і проглядається під мікроскопом. Для того щоб можна було простежити шлях частинки при переході з одного шару в інший, перед розбиранням пачки на всі верстви наноситься за допомогою рентгенівських променів однакова координатна сітка.
Види взаємодій
Під елементарними частинками розуміють такі мікрочастинки, внутрішню структуру яких на сучасному рівні розвитку фізики не можна представити як об'єднання інших часток. У всіх спостерігалися до сих пір явищах кожна така частинка поводиться як єдине ціле. Елементарні частинки можуть перетворюватися один в одного.
В даний час відомі чотири види взаємодій між елементарними частинками: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне (у порядку убування інтенсивності).
Сильна взаємодія. Цей вид взаємодії називають інакше ядерним, тому що воно забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати безрозмірною константою взаємодії G 2. Ця ж константа характеризує ймовірність процесів, обумовлених даними взаємодією. Найбільша відстань, на якому виявляється сильна взаємодія (радіус дії r) складає приблизно 10 -13 см. Частка, пролітають зі швидкістю, близькою до с, в безпосередній близькості до іншої частинки, буде взаємодіяти з нею протягом часу t = 10 -23 сек. Відповідно до цього говорять, що сильна взаємодія характеризується часом взаємодії t s порядку 10 -23 сек .
Електромагнітна взаємодія. Радіус дії електромагнітного взаємодії не обмежений. Константа взаємодії дорівнює 1 \ 137. Отже, інтенсивність електромагнітного взаємодії приблизно в 100 разів менше, ніж сильного. Час, необхідний для того, щоб проявилося взаємодія, обернено пропорційно його інтенсивності (або ймовірності). Тому, для електромагнітної взаємодії t = 10 -21 сек.
Слабка взаємодія. Слабка або розпадного взаємодія відповідально за всі види β-розпадів ядер, за багато розпади елементарних частинок, а також за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Слабка взаємодія, як і сильне, є краткодействующім. Константа взаємодії дорівнює 10 -14. Час взаємодії t = 10 -9.
Гравітаційна взаємодія. Радіус дії не обмежений. Константа взаємодії мала: 10 -39. Відповідно, час взаємодії t = 10 9. Гравітаційна взаємодія є універсальним, йому піддані всі елементарні частинки. Але в процесах мікросвіту гравітаційна взаємодія відчутної ролі не грає.
Склад атомних ядер
Атомне ядро складається з протонів і нейтронів. Нейтрон може мимовільно перетворюватися в протон, а також у електрон і нейтрино. У багатьох ядрах спостерігається і зворотний процес. Так як протон переходить в нейтрон, а нейтрон в протон, то це означає, що обидві частинки однаково прості. Здатність часток до взаємних перетворень вказує на складність їх внутрішньої будови.
Нейтрон, як і протон, має властивості магнетика. Це означає, що в нейтрон містяться електричні заряди, так як в цілому нейтрон не заряджений, то алгебраїчна сума позитивного і негативного заряду дорівнює нулю. Але якщо заряди двох знаків розташовані на різних відстанях від осі обертання, то магнітні поля, створювані їх рухом. Компенсуватися не будуть, тобто нейтрон буде намагнічений.
На перший погляд здається, що, крім нейтронів і протонної, ядра повинні містити також позитрони та електрони, тому що деякі ядра радіоактивних ізотопів випромінюють ці частинки. Але детальний аналіз показав, що в ядрі відсутні й електрони, і позитрони. Але якщо позитрони та електрони в готовому вигляді в ядрі не присутні, то в процесі розпаду ядра, що супроводжується вильотом однієї з цих частинок, вони утворюються заново за рахунок перетворень всередині ядра. При цьому при вильоті позитрона (позитивного заряду) один з протонів перетворюється в нейтрон, а при вильоті електрона (негативного заряду), навпаки, один з нейтронів робиться протоном.
Стійкі (нерадіоактивні) легкі ядра містять приблизно рівні кількості протонів і нейтронів. У важких ядрах є певна перевага в числі нейтронів; так, в ядрі свинцю нейтронів приблизно в півтора рази більше, ніж протонів. Співвідношення чисел нейтронів і протонів, яке здійснюється в стійких ядрах, є найбільш вигідним, що додає ядру особливу міцність. Відхилення від цього співвідношення роблять ядро нестійким.
Взаємодія нуклонів в ядрі
Ядерні сили - особливі сили, що діють між частинками, що утворюють атомні ядра (нейтронами і протонами). Досліди привели до висновку, що ядерні сили взаємодії між парами частинок протон-протон, нейтрон-протон, нейтрон-нейтрон однакові. У явищах, що залежать тільки від ядерних сил, нейтрон і протон поводяться подібно. Ці дві частинки об'єднують загальним терміном нуклон.
Найбільш характерною особливістю ядерних сил є короткодіючі - вони досягають дуже великий величини при зближенні нуклонів на відстань порядку 10 -13 см, але при збільшенні цієї відстані всього в декілька раз так сильно спадають, що ними можна знехтувати.
На малих відстанях ядерна взаємодія приблизно на два порядки сильніше електричного. При великих відстанях положення зворотне: ядерна взаємодія протонів мізерно слабко в порівнянні з електричним.
Нуклон створює в навколишньому просторі поле ядерних сил, і це поле діє на інші нуклони, які потрапляють в сферу його впливу. У 1935 р. японський фізик Х. Юкава припустив, що подібно електромагнітного поля ядерне полі буває не тільки зв'язаним, але і вільним, тобто існують кванти ядерного поля. Він показав, що малий радіус дії ядерного поля пов'язаний з тим, що кванти цього поля мають відмінну від нуля масою спокою. Чим більше маса спокою, тим менше сфера дії сил. Пізніше, при дослідженні космічних променів були відкриті частки, названі пі-мезонами, які і є квантами ядерної поля.
Основні характеристики елементарних частинок: маса, електронний та баріонів заряд, час життя і їх античастинки, а також систематика частинок представлені в таблиці.
ГОУ ВПО «Кемеровський ГОСУДАРСТВННИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
РЕФЕРАТ
Елементарні частинки
Виконала:
Студентка гр. Х-053
Тарасова К. У
Перевірила:
Журавльова Л. В.
Кемерово, 2007
Зміст
Методи спостереження елементарних частинок
Види взаємодій
Склад атомних ядер
Взаємодія нуклонів в ядрі
Основні характеристики, систематика частинок
Радіоактивність
Найпростіші ядерні реакції
Поділ ядер
Ланцюгова реакція
Список літератури
Методи спостереження елементарних частинок
Елементарні частинки вдається спостерігати завдяки тим слідах, які вони залишають при своєму проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульсі і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з яким-небудь ядром. Отже, нейтральні частки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.
Прилади, що застосовуються для реєстрації іонізуючих часток, поділяються на дві групи. До першої групи належать пристрої, які реєструють факт прольоту частинки і дозволяють судити про її енергії. Другу групу утворюють трекові прилади, тобто прилади, що дозволяють спостерігати сліди частинок в речовині. До числа реєструючих приладів відносяться іонізаційні камери та газорозрядні лічильники. Широке поширення отримали черенковських лічильники та сцинтиляційні лічильники.
Заряджена частинка, пролітають через речовину, викликає не тільки іонізацію, а й збудження атомів. Повертаючись до нормального стану, атоми випускають видиме світло. Речовини, в яких заряджені частинки збуджують помітну світлову спалах (сцинтилляция), називають фосфорами. Фосфор бувають органічні і неорганічні.
Сцинтиляційний лічильник складається з фосфору, від якого світло подається за спеціальним светопроводу до фотопомножувача. Імпульси, що виходять на виході фотопомножувача, піддаються рахунку. Визначається також амплітуда імпульсів (яка пропорційна інтенсивності світлових спалахів), що дає додаткову інформацію про реєстрованих частинках.
Лічильники часто об'єднуються в групи і включаються так, щоб реєструвалися тільки такі події, які відзначаються одночасно декількома приладами, або тільки одним ним з них. У першому випадку говорять, що лічильники включені за схемою збігів, у другому - за схемою антизбігів.
До числа трекових приладів відноситься камери Вільсона, бульбашкові камери, іскрові камери і емульсійні камери.
Камера Вільсона. Так називають прилад, створений англійським фізиком Ч. Вільсоном в 1912 р. Доріжка з іонів, прокладена летить зарядженою часткою, стає видимою в камері Вільсона, тому що на іонах відбувається конденсація пересичених парів будь-якої рідини. Прилад працює не безперервно, а циклами. Порівняно короткий час чутливості камери чергується з мертвим часом (у 100-1000 разів більшим), протягом якого камера готується до наступного робочого циклу. Пересичення досягається за рахунок раптового охолодження, що викликається різким (адіабатичним) розширенням робочої суміші, що з неконденсуючий газу (гелію, азоту, аргону) і пари води, етилового спирту і т. п. У цей же момент проводиться стереоскопічне (тобто з декількох точок) фотографування робочого об'єму камери. Стереофотографії дозволяють відтворити просторову картину зафіксованого явища. Так як відношення часу чутливості до мертвого часу дуже мало, доводиться іноді робити десятки тисяч знімків, перш ніж буде зафіксовано будь-яку подію, що має невеликий ймовірністю. Щоб збільшити ймовірність спостереження рідкісних явищ, використовуються керовані камери Вільсона, у яких роботою розширювального механізму управляють лічильники частинок, включені в електронну схему, що виділяє потрібну подію.
Бульбашкова камера. У винайденої Д. А. Глезер в 1952 р. бульбашковій камері пересичені пари замінені прозорою перегрітої рідиною (тобто рідиною, що знаходиться під зовнішнім тиском, меншим тиску її насичених парів). Пролетіла через камеру іонізуюча частка викликає бурхливий скипання рідини, внаслідок чого слід частки виявляється позначеним ланцюжком бульбашок пари - утворюється трек. Бульбашкова камера, як і камера Вільсона, працює циклами. Запускається камера різким зниженням (скиданням) тиску, внаслідок чого робоча рідина переходить у метастабільного перегріте стан. В якості робочої рідини, яка одночасно служить мішенню для пролітають через неї часток, застосовуються рідкий водень (в цьому випадку потрібні низькі температури).
Іскрові камери. У 1957 р. Краншау і де-Біром був сконструйований прилад для реєстрації траєкторій заряджених частинок, названий іскровий камерою. Прилад складається з системи плоских паралельних один одному електродів, виконаних у вигляді каркасів з натягнутою на них металевою фольгою або у вигляді металевих пластин. Електроди з'єднуються через один. Одна група електродів заземлюється, а на іншу періодично подається короткочасний (тривалістю 10 -7 сек) високовольтний імпульс (10 - 15 кВ). Якщо в момент подачі імпульсу через камеру пролетить іонізуюча частинка, її шлях буде відзначений ланцюжком іскор, проскакують між електродами. Прилад запускається автоматично за допомогою включених за схемою збігів додаткових лічильників, що реєструють проходження через робочий об'єм камери досліджуваних частинок. У камерах, наповнених інертними газами, межелектродное відстань може досягати декількох сантиметрів. Якщо напрямок польоту частинки утворює з нормаллю до електродів кут, що не перевищує 40 °, розряд у таких камерах розвивається у напрямку треку частинки.
Метод фотоемульсій. Радянські фізики Л. В. Мисовської і А. П. Жданов вперше застосували для реєстрації елементарних частинок фотопластинки. Заряджена частинка, проходячи через фотоемульсію, викликає таку ж дію, як і фотони. Тому після прояви платівки в емульсії утворюється видимий слід (трек) пролетіла частинки. Недоліком методу фотопластинок була мала товщина емульсійного шару, внаслідок чого виходили повністю лише треки частинок летять паралельно площині шару. У емульсійних камерах опроміненню піддаються товсті пачки (вагою до декількох десятків кілограмів), складені з окремих шарів фотоемульсії (без підкладки). Після опромінення пачка розбирається на шари, кожен з яких виявляється і проглядається під мікроскопом. Для того щоб можна було простежити шлях частинки при переході з одного шару в інший, перед розбиранням пачки на всі верстви наноситься за допомогою рентгенівських променів однакова координатна сітка.
Види взаємодій
Під елементарними частинками розуміють такі мікрочастинки, внутрішню структуру яких на сучасному рівні розвитку фізики не можна представити як об'єднання інших часток. У всіх спостерігалися до сих пір явищах кожна така частинка поводиться як єдине ціле. Елементарні частинки можуть перетворюватися один в одного.
В даний час відомі чотири види взаємодій між елементарними частинками: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне (у порядку убування інтенсивності).
Сильна взаємодія. Цей вид взаємодії називають інакше ядерним, тому що воно забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати безрозмірною константою взаємодії G 2. Ця ж константа характеризує ймовірність процесів, обумовлених даними взаємодією. Найбільша відстань, на якому виявляється сильна взаємодія (радіус дії r) складає приблизно 10 -13 см. Частка, пролітають зі швидкістю, близькою до с, в безпосередній близькості до іншої частинки, буде взаємодіяти з нею протягом часу t = 10 -23 сек. Відповідно до цього говорять, що сильна взаємодія характеризується часом взаємодії t s порядку 10 -23 сек .
Електромагнітна взаємодія. Радіус дії електромагнітного взаємодії не обмежений. Константа взаємодії дорівнює 1 \ 137. Отже, інтенсивність електромагнітного взаємодії приблизно в 100 разів менше, ніж сильного. Час, необхідний для того, щоб проявилося взаємодія, обернено пропорційно його інтенсивності (або ймовірності). Тому, для електромагнітної взаємодії t = 10 -21 сек.
Слабка взаємодія. Слабка або розпадного взаємодія відповідально за всі види β-розпадів ядер, за багато розпади елементарних частинок, а також за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Слабка взаємодія, як і сильне, є краткодействующім. Константа взаємодії дорівнює 10 -14. Час взаємодії t = 10 -9.
Гравітаційна взаємодія. Радіус дії не обмежений. Константа взаємодії мала: 10 -39. Відповідно, час взаємодії t = 10 9. Гравітаційна взаємодія є універсальним, йому піддані всі елементарні частинки. Але в процесах мікросвіту гравітаційна взаємодія відчутної ролі не грає.
Склад атомних ядер
Атомне ядро складається з протонів і нейтронів. Нейтрон може мимовільно перетворюватися в протон, а також у електрон і нейтрино. У багатьох ядрах спостерігається і зворотний процес. Так як протон переходить в нейтрон, а нейтрон в протон, то це означає, що обидві частинки однаково прості. Здатність часток до взаємних перетворень вказує на складність їх внутрішньої будови.
Нейтрон, як і протон, має властивості магнетика. Це означає, що в нейтрон містяться електричні заряди, так як в цілому нейтрон не заряджений, то алгебраїчна сума позитивного і негативного заряду дорівнює нулю. Але якщо заряди двох знаків розташовані на різних відстанях від осі обертання, то магнітні поля, створювані їх рухом. Компенсуватися не будуть, тобто нейтрон буде намагнічений.
На перший погляд здається, що, крім нейтронів і протонної, ядра повинні містити також позитрони та електрони, тому що деякі ядра радіоактивних ізотопів випромінюють ці частинки. Але детальний аналіз показав, що в ядрі відсутні й електрони, і позитрони. Але якщо позитрони та електрони в готовому вигляді в ядрі не присутні, то в процесі розпаду ядра, що супроводжується вильотом однієї з цих частинок, вони утворюються заново за рахунок перетворень всередині ядра. При цьому при вильоті позитрона (позитивного заряду) один з протонів перетворюється в нейтрон, а при вильоті електрона (негативного заряду), навпаки, один з нейтронів робиться протоном.
Стійкі (нерадіоактивні) легкі ядра містять приблизно рівні кількості протонів і нейтронів. У важких ядрах є певна перевага в числі нейтронів; так, в ядрі свинцю нейтронів приблизно в півтора рази більше, ніж протонів. Співвідношення чисел нейтронів і протонів, яке здійснюється в стійких ядрах, є найбільш вигідним, що додає ядру особливу міцність. Відхилення від цього співвідношення роблять ядро нестійким.
Взаємодія нуклонів в ядрі
Ядерні сили - особливі сили, що діють між частинками, що утворюють атомні ядра (нейтронами і протонами). Досліди привели до висновку, що ядерні сили взаємодії між парами частинок протон-протон, нейтрон-протон, нейтрон-нейтрон однакові. У явищах, що залежать тільки від ядерних сил, нейтрон і протон поводяться подібно. Ці дві частинки об'єднують загальним терміном нуклон.
Найбільш характерною особливістю ядерних сил є короткодіючі - вони досягають дуже великий величини при зближенні нуклонів на відстань порядку 10 -13 см, але при збільшенні цієї відстані всього в декілька раз так сильно спадають, що ними можна знехтувати.
На малих відстанях ядерна взаємодія приблизно на два порядки сильніше електричного. При великих відстанях положення зворотне: ядерна взаємодія протонів мізерно слабко в порівнянні з електричним.
Нуклон створює в навколишньому просторі поле ядерних сил, і це поле діє на інші нуклони, які потрапляють в сферу його впливу. У 1935 р. японський фізик Х. Юкава припустив, що подібно електромагнітного поля ядерне полі буває не тільки зв'язаним, але і вільним, тобто існують кванти ядерного поля. Він показав, що малий радіус дії ядерного поля пов'язаний з тим, що кванти цього поля мають відмінну від нуля масою спокою. Чим більше маса спокою, тим менше сфера дії сил. Пізніше, при дослідженні космічних променів були відкриті частки, названі пі-мезонами, які і є квантами ядерної поля.
Основні характеристики елементарних частинок: маса, електронний та баріонів заряд, час життя і їх античастинки, а також систематика частинок представлені в таблиці.
| Клас частинок | Частинки | Символ | Баріонів заряд | Ел. заряд | Маса | Час життя | Анти-частинки | Символ |
| Фотон | фотон | γ | 0 | 0 | 0 | стабільний | - | - |
| Лептони | електрон | e - | 0 | -1 | 1 | стабільний | позитрон | e + |
| мюон | μ - | 0 | -1 | 207 | 2,2 * 10 -6 | мю-плюс-мезон | μ + | |
| електронний нейтрино | ν e | 0 | 0 | 0 | стабільний | електронний антинейтрино | ν e | |
| мюонний нейтрино | ν μ | 0 | 0 | 0 | стабільний | мю-антинейтрино | ν μ | |
| Адрони (мезони) | пі-нуль | π 0 | 0 | 0 | 264 | 10 -16 | - | - |
| пі-плюс | π + | 0 | 1 | 273 | 2,6 * 10 -8 | пі-мінус | π - | |
| ця-мезон | η | 0 | 0 | 1070 | 2,5 * 10 -19 | - | - | |
| ка-плюс | К + | 0 | 1 | 966 | 1,2 * 10 -8 | ка-мінус | K - | |
| кА-нуль короткоживучий | K 0 s | 0 | 0 | 974 | 0,9 * 10 -10 | |||
| кА-нуль довгоживучий | K 0 L | 0 | 0 | 974 | 5,7 * 10 -8 | |||
| Адрони (баріони) | протон | p | 1 | 1 | 1836 | стабільний | антипротон | p |
| нейтрон | n | 1 | 0 | 1838,6 | 10 березня | Антинейтрон | n | |
| лямбда | Λ | 1 | 0 | 2183 | 2,5 * 10 -10 | антілямбда | Λ | |
| сигма-плюс | Σ + | 1 | 1 | 2328 | 0,8 * 10 -10 | антісігма-мінус | Σ - | |
| сигма-нуль | Σ 0 | 1 | 0 | 2334 | 10 -14 | антісігма-нуль | Σ 0 | |
| сигма-мінус | Σ - | 1 | -1 | 2343 | 1,6 * 10 -10 | антісігма-плюс | Σ + | |
| ксі-нуль | Ξ 0 | 1 | 0 | 2573 | 3 * 10 -10 | антіксі-нуль | Ξ 0 | |
| ксі-мінус | Ξ - | 1 | -1 | 2586 | 1,7 * 10 -10 | ксі-плюс | Ξ + | |
| омега-мінус | Ω - | 1 | -1 | 3277 | 1,5 * 10 -10 | омега-плюс | Ω + |
Радіоактивність
Радіоактивністю називають мимовільне перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемента, що супроводжується випусканням елементарних частинок або ядер. До числа основних таких перетворень відносяться: 1) альфа-розпад, 2). бета-розпад (в тому числі К-захват), 3) протонна радіоактивність і 4) спонтанне ділення важких ядер.
Радіоактивність, що спостерігається у ізотопів, що існують у природних умовах,-називається природною. Радіоактивність ізотопів, отриманих за допомогою ядерних реакцій, називається штучною. Між штучною і природною радіоактивністю немає принципової різниці. Процес радіоактивного перетворення в обох випадках підпорядковується однаковим законам.
Природна радіоактивність була відкрита в 1896 р. Беккерелем. Було виявлено, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювання. Одне з них під дією магнітного поля відхиляється в ту ж сторону, в яку відхилявся б потік позитивно заряджених частинок; воно отримало назву α-променів. Друге, назване β-променями, відхиляється магнітним полем в протилежну сторону, тобто так, як відхилявся б потік негативно заряджених частинок. Третє випромінювання, ніяк не реагує на дію магнітного поля, було названо γ-променями. Згодом з'ясувалося, що γ-промені є електромагнітне випромінювання дуже малої довжини хвилі.
Штучно-радіоактивні речовини можуть виходити при досить різноманітних ядерних реакціях. Прикладом може служити реакція захоплення нейтронів сріблом. Для проведення такої реакції досить помістити платівку срібла поблизу від джерела нейтронів, оточеного парафіном. У парафіні нейтрони сповільнюються, а повільні нейтрони легко захоплюються ядрами і викликають ядерну реакцію. Платівка срібла при цьому не зазнає під дією нейтронів будь-яких видимих змін. Але якщо піднести її до газорозрядні лічильники, то він покаже, що платівка стала радіоактивної, тобто випускає β-промені. При цьому виявляється, що придбана радіоактивність поступово слабшає.
Штучна радіоактивність - дуже поширене явище: в даний час отримано по кілька штучно-радіоактивних ізотопів для кожного з елементів періодичної системи.
Найпростіші ядерні реакції
Ядерною реакцією називається процес інтенсивної взаємодії атомного ядра з елементарною частинкою або з іншим ядром, що приводить до перетворення ядра. Взаємодія виникає при зближенні частинок завдяки дії ядерних сил.
Найбільш поширеним видом ядерної реакції є взаємодія легкої частинки a з ядром Х, в результаті якого утворюється легка частинка b і ядро Y:
Х + а = Y + b
Як частинок а і b можуть фігурувати нейтрон, протон, ядро важкого водню (Дейтон), α-частинки і фотон. Ядерні реакції можуть супроводжуватися як виділенням, так і поглинанням енергії. Кількість енергії, що виділяється називається тепловим ефектом реакції. Він визначається різницею мас спокою (виражених в енергетичних одиницях) вихідних і кінцевих ядер. Якщо сума мас утворюються ядер перевершує суму мас вихідних ядер, реакція йде з поглинанням енергії і тепловий ефект її буде негативним.
Як встановив Н. Бір в 1936 р., реакції, викликані не дуже швидкими частинками, протікають у два етапи. Перший етап полягає в захопленні приблизившейся до ядра X на досить малу відстань (таке, щоб могли вступити в дію ядерні сили) сторонньої частки а й в освіті проміжного ядра П, званого складовим ядром або компаунд-ядром. Енергія, привнесена часткою а (вона складається з кінетичної енергії частки й енергії її зв'язку з ядром), за дуже короткий час перерозподіляється між усіма нуклонами складеного ядра, в результаті чого це ядро виявляється у збудженому стані.
На другому етапі складене ядро випускає частку b. Символічно таке двустадійность протікання реакції можна представити наступним чином:
Х + а = П = Y + b
Може трапитися, що випущеної частка тотожна з захопленої (b = а). Тоді процес називають розсіюванням, причому у разі, якщо енергія частинки b дорівнює енергії частинки а (Еь = Е а), розсіювання буде пружним, в іншому випадку - непружним. Ядерна реакція має місце, якщо частка b не тотожна з а.
Реакції, викликані швидкими нуклонами і Дейтона, протікають без утворення проміжного ядра. Такі реакції носять назву прямих ядерних взаємодій. Типовою реакцією прямої взаємодії є реакція зриву, що спостерігається при нецентральних соударениях Дейтона з ядром. За таких зіткненнях один з нуклонів Дейтона може потрапити в зону дії ядерних сил і буде захоплений ядром, у той час як інший нуклон залишиться поза зоною дії ядерних сил і пролетить повз ядра.
Перша ядерна реакція була здійснена Резерфордом у 1919 р. При опроміненні азоту α-частинками, що випускаються радіоактивним джерелом, деякі ядра азоту перетворювалися на ядра кисню, випускаючи при цьому протон.
Резерфорд скористався для розщеплення атомного ядра природними снарядами - α-частинками. Ядерна реакція, викликана штучно прискореними частинками, була вперше здійснена Кокрофт і Уолтоном в 1932 р. З допомогою так званого помножувача напруги вони прискорювали протони до енергії близько 0,8 МеВ і спостерігали реакцію: 3 Li 7 (p, α) 2 Не 4
Надалі в міру розвитку техніки прискорення заряджених частинок множилося число ядерних перетворень, здійснюваних штучним шляхом.
Найбільше значення мають реакції, викликані нейтронами. На відміну від заряджених частинок (р, d, α) нейтрони не відчувають кулонівського відштовхування, внаслідок чого вони можуть проникати в ядра, володіючи дуже малою енергією. Ефективні перетину реакцій звичайно зростають при зменшенні енергії нейтронів. Це можна пояснити тим, що чим менша швидкість нейтрона, тим більше час, який він проводить у сфері дії ядерних сил, пролітаючи поблизу ядра, і, отже, тим більше ймовірність його захоплення. Однак часто спостерігаються випадки, коли перетин захоплення нейтронів має різко виражений максимум для нейтронів певної енергії Е r.
Поділ ядер
У 1938 р. німецькі вчені О. Ганн і Ф. Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи з середини періодичної системи - барій і лантан. Пояснення цього явища було дано німецькими вченими О. Фрішем і Л. Майтнер. Вони припустили, що захопила нейтрон ядро урану ділиться на дві приблизно рівні частини, що отримали назву уламків поділу.
Подальші дослідження показали, що розподіл може відбуватися різними шляхами. Всього утворюється 80 різних осколків, причому найвірогіднішим є поділ на осколки, маси яких відносяться як 2:3.
Енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, для ядер середньої маси значно більше, ніж у важких ядер. Звідси випливає, що поділ ядер має супроводжуватися виділенням великої кількості енергії. Але особливо важливим є те, що при розподілі кожного ядра вивільняється кілька нейтронів. Відносна кількість нейтронів у важких ядрах помітно більше, ніж у середніх ядрах. Тому осколки, виявляються сильно перевантаженими нейтронами, в результаті чого виділяють по кілька нейтронів. Більшість нейтронів випускається миттєво. Частина (близько 0,75%) нейтронів, що одержала назву запізнілих нейтронів, випускається не миттєво, а з запізненням до 1 хв. У середньому на кожен акт розподілу припадає 2,5 виділилися нейтронів.
Виділення миттєвих і запізнілих нейтронів не усуває повністю перевантаження уламків поділу нейтронами. Тому осколки виявляються в більшості випадків радіоактивними і зазнають ланцюжок β - перетворень, супроводжуваних випусканням γ-променів.
Запропонована модель є ідеальною. Процес розмноження нейтронів протікав би таким чином за умови, що всі виділилися нейтрони поглинаються діляться ядрами. У реальних умовах це далеко не так. Перш за все через кінцевих розмірів поділяється тіла і великий проникаючої здатності нейтронів багато хто з них покинуть зону реакції перш, ніж будуть захоплені яких-небудь ядром і викличуть його розподіл. Крім того, частина нейтронів поглинеться ядрами неподільних домішок, внаслідок чого вийде з гри, не викликавши розподілу і, отже, не породивши нових нейтронів.
Поверхня тіла зростає як квадрат, а об'єм - як куб лінійних розмірів. Тому відносна частка вилітають назовні нейтронів зменшується із зростанням маси речовини, що ділиться.
Ланцюгова реакція
Природний уран містить 99,27% ізотопу U 238, 0,72% U 235 і близько 0,01% U 234. Таким чином, на кожне делящееся під дією повільних нейтронів ядро U 235 припадає 140 ядер U 238, які захоплюють не надто швидкі нейтрони без поділу. Тому в природному урані ланцюгова реакція поділу не виникає.
Ланцюгова ядерна реакція в урані може бути здійснена двома способами. Перший спосіб полягає у виділенні з природного урану ділиться ізотопу U 235. Внаслідок хімічної нерозрізненості ізотопів поділ їх є дуже важке завдання. Однак вона була вирішена декількома методами. Промислове значення набув дифузійний (точніше, ефузійним) метод поділу, при якому летуче з'єднання урану UF 6 (гексафторид урану) багаторазово пропускається через перегородку з дуже малими порами. У шматку чистого U 235 кожен захоплений ядром нейтрон викликає поділ з випусканням ~ 2,5 нових нейтронів. Однак, якщо маса такого шматка менше певного критичного значення (що становить для U 235 за обчисленнями німецького фізика В. Гейзенберга приблизно 9 кг), то більшість випущених нейтронів вилетить назовні, не викликавши поділу, так що ланцюгова реакція не виникає. При масі, більшою критичною, нейтрони швидко розмножуються і реакція набуває вибуховий характер. На цьому заснована дія атомної бомби. Ядерний заряд такої бомби представляє собою два або більше шматків майже чистого U 235 або Pu 239. Маса кожного шматка менше критичної, внаслідок чого ланцюгова реакція не виникає. У земній атмосфері завжди є деяка кількість нейтронів, народжених космічними променями. Тому, щоб викликати вибух, досить з'єднати частини ядерного заряду в один шматок з масою, більшою критичною. Це потрібно робити дуже швидко і з'єднання шматків повинно бути дуже щільним. В іншому випадку ядерний заряд розлетиться на частини перш, ніж встигне прореагувати помітна частка речовини, що ділиться. Для з'єднання використовується звичайну вибухову речовину (Запал), за допомогою якого однією частиною ядерного заряду вистрілюють в іншу. Всі пристрій поміщений в масивну оболонку з металу великої щільності. Оболонка служить відбивачем нейтронів і, крім того, утримує ядерний заряд від розпорошення до тих пір, поки максимально можливе число його ядер не виділить свою енергію під час ділення. Ланцюгова реакція в атомній бомбі йде на швидких нейтронах. Під час вибуху встигає прореагувати тільки частина ядерного заряду.
Інший спосіб здійснення ланцюгової реакції використовується в ядерних реакторах (званих також атомними котлами). В якості речовини, що ділиться в реакторах служить природний (або кілька збагачений ізотопом U 235) уран. Щоб запобігти радіаційний захоплення нейтронів ядрами U 238 (що стає особливо інтенсивним при енергії нейтронів - 7 еВ), порівняно невеликі блоки (шматки) речовини, що ділиться розміщують на деякій відстані один від одного, а проміжки між блоками заповнюють сповільнювачем, тобто речовиною, в якому нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей. Перетин захоплення теплових нейтронів ядром U 238 складає всього 3 барна, в той час як перетин поділу U 235 тепловими нейтронами майже в 200 разів більше (580 барн). Тому, хоча нейтрони стикаються з ядрами U 238 у 140 разів частіше, ніж з ядрами U 235, радіаційний захоплення відбувається рідше, ніж поділ, і при великих критичного розмірах всього пристрою коефіцієнт розмноження нейтронів може досягти значень, великих одиниці.
Уповільнення нейтронів здійснюється за рахунок пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається сповільнюємо частинкою, залежить від співвідношення мас частинок, що стикаються. Максимальна кількість енергії втрачається, якщо частинки мають однакову масу. З цієї точки зору ідеальним сповільнювачем мало б бути речовина, що містить звичайний водень, наприклад, вода (маси протона і нейтрона приблизно однакові). Однак такі речовини виявилися непридатними як сповільнювач, тому що звичайний водень поглинає нейтрони.
Ядра сповільнювача повинні володіти малим перерізом захоплення нейтронів і великим перетином пружного розсіювання. Цій умові задовольняють дейтерій, а також ядра графіту та берилію.
Список літератури
1. Елементарний підручник фізики. Під редакцією Г. С. Ландсберга. Том 3 - М.: Наука, 1972 р.
2. Курс загальної фізики, том 3. Оптика, атомна фізика, фізика атомного ядра і елементарних частинок. Савельєв І. В. - М.: Наука, 1971 р.
Радіоактивністю називають мимовільне перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемента, що супроводжується випусканням елементарних частинок або ядер. До числа основних таких перетворень відносяться: 1) альфа-розпад, 2). бета-розпад (в тому числі К-захват), 3) протонна радіоактивність і 4) спонтанне ділення важких ядер.
Радіоактивність, що спостерігається у ізотопів, що існують у природних умовах,-називається природною. Радіоактивність ізотопів, отриманих за допомогою ядерних реакцій, називається штучною. Між штучною і природною радіоактивністю немає принципової різниці. Процес радіоактивного перетворення в обох випадках підпорядковується однаковим законам.
Природна радіоактивність була відкрита в 1896 р. Беккерелем. Було виявлено, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювання. Одне з них під дією магнітного поля відхиляється в ту ж сторону, в яку відхилявся б потік позитивно заряджених частинок; воно отримало назву α-променів. Друге, назване β-променями, відхиляється магнітним полем в протилежну сторону, тобто так, як відхилявся б потік негативно заряджених частинок. Третє випромінювання, ніяк не реагує на дію магнітного поля, було названо γ-променями. Згодом з'ясувалося, що γ-промені є електромагнітне випромінювання дуже малої довжини хвилі.
Штучно-радіоактивні речовини можуть виходити при досить різноманітних ядерних реакціях. Прикладом може служити реакція захоплення нейтронів сріблом. Для проведення такої реакції досить помістити платівку срібла поблизу від джерела нейтронів, оточеного парафіном. У парафіні нейтрони сповільнюються, а повільні нейтрони легко захоплюються ядрами і викликають ядерну реакцію. Платівка срібла при цьому не зазнає під дією нейтронів будь-яких видимих змін. Але якщо піднести її до газорозрядні лічильники, то він покаже, що платівка стала радіоактивної, тобто випускає β-промені. При цьому виявляється, що придбана радіоактивність поступово слабшає.
Штучна радіоактивність - дуже поширене явище: в даний час отримано по кілька штучно-радіоактивних ізотопів для кожного з елементів періодичної системи.
Найпростіші ядерні реакції
Ядерною реакцією називається процес інтенсивної взаємодії атомного ядра з елементарною частинкою або з іншим ядром, що приводить до перетворення ядра. Взаємодія виникає при зближенні частинок завдяки дії ядерних сил.
Найбільш поширеним видом ядерної реакції є взаємодія легкої частинки a з ядром Х, в результаті якого утворюється легка частинка b і ядро Y:
Х + а = Y + b
Як частинок а і b можуть фігурувати нейтрон, протон, ядро важкого водню (Дейтон), α-частинки і фотон. Ядерні реакції можуть супроводжуватися як виділенням, так і поглинанням енергії. Кількість енергії, що виділяється називається тепловим ефектом реакції. Він визначається різницею мас спокою (виражених в енергетичних одиницях) вихідних і кінцевих ядер. Якщо сума мас утворюються ядер перевершує суму мас вихідних ядер, реакція йде з поглинанням енергії і тепловий ефект її буде негативним.
Як встановив Н. Бір в 1936 р., реакції, викликані не дуже швидкими частинками, протікають у два етапи. Перший етап полягає в захопленні приблизившейся до ядра X на досить малу відстань (таке, щоб могли вступити в дію ядерні сили) сторонньої частки а й в освіті проміжного ядра П, званого складовим ядром або компаунд-ядром. Енергія, привнесена часткою а (вона складається з кінетичної енергії частки й енергії її зв'язку з ядром), за дуже короткий час перерозподіляється між усіма нуклонами складеного ядра, в результаті чого це ядро виявляється у збудженому стані.
На другому етапі складене ядро випускає частку b. Символічно таке двустадійность протікання реакції можна представити наступним чином:
Х + а = П = Y + b
Може трапитися, що випущеної частка тотожна з захопленої (b = а). Тоді процес називають розсіюванням, причому у разі, якщо енергія частинки b дорівнює енергії частинки а (Еь = Е а), розсіювання буде пружним, в іншому випадку - непружним. Ядерна реакція має місце, якщо частка b не тотожна з а.
Реакції, викликані швидкими нуклонами і Дейтона, протікають без утворення проміжного ядра. Такі реакції носять назву прямих ядерних взаємодій. Типовою реакцією прямої взаємодії є реакція зриву, що спостерігається при нецентральних соударениях Дейтона з ядром. За таких зіткненнях один з нуклонів Дейтона може потрапити в зону дії ядерних сил і буде захоплений ядром, у той час як інший нуклон залишиться поза зоною дії ядерних сил і пролетить повз ядра.
Перша ядерна реакція була здійснена Резерфордом у 1919 р. При опроміненні азоту α-частинками, що випускаються радіоактивним джерелом, деякі ядра азоту перетворювалися на ядра кисню, випускаючи при цьому протон.
Резерфорд скористався для розщеплення атомного ядра природними снарядами - α-частинками. Ядерна реакція, викликана штучно прискореними частинками, була вперше здійснена Кокрофт і Уолтоном в 1932 р. З допомогою так званого помножувача напруги вони прискорювали протони до енергії близько 0,8 МеВ і спостерігали реакцію: 3 Li 7 (p, α) 2 Не 4
Надалі в міру розвитку техніки прискорення заряджених частинок множилося число ядерних перетворень, здійснюваних штучним шляхом.
Найбільше значення мають реакції, викликані нейтронами. На відміну від заряджених частинок (р, d, α) нейтрони не відчувають кулонівського відштовхування, внаслідок чого вони можуть проникати в ядра, володіючи дуже малою енергією. Ефективні перетину реакцій звичайно зростають при зменшенні енергії нейтронів. Це можна пояснити тим, що чим менша швидкість нейтрона, тим більше час, який він проводить у сфері дії ядерних сил, пролітаючи поблизу ядра, і, отже, тим більше ймовірність його захоплення. Однак часто спостерігаються випадки, коли перетин захоплення нейтронів має різко виражений максимум для нейтронів певної енергії Е r.
Поділ ядер
У 1938 р. німецькі вчені О. Ганн і Ф. Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи з середини періодичної системи - барій і лантан. Пояснення цього явища було дано німецькими вченими О. Фрішем і Л. Майтнер. Вони припустили, що захопила нейтрон ядро урану ділиться на дві приблизно рівні частини, що отримали назву уламків поділу.
Подальші дослідження показали, що розподіл може відбуватися різними шляхами. Всього утворюється 80 різних осколків, причому найвірогіднішим є поділ на осколки, маси яких відносяться як 2:3.
Енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, для ядер середньої маси значно більше, ніж у важких ядер. Звідси випливає, що поділ ядер має супроводжуватися виділенням великої кількості енергії. Але особливо важливим є те, що при розподілі кожного ядра вивільняється кілька нейтронів. Відносна кількість нейтронів у важких ядрах помітно більше, ніж у середніх ядрах. Тому осколки, виявляються сильно перевантаженими нейтронами, в результаті чого виділяють по кілька нейтронів. Більшість нейтронів випускається миттєво. Частина (близько 0,75%) нейтронів, що одержала назву запізнілих нейтронів, випускається не миттєво, а з запізненням до 1 хв. У середньому на кожен акт розподілу припадає 2,5 виділилися нейтронів.
Виділення миттєвих і запізнілих нейтронів не усуває повністю перевантаження уламків поділу нейтронами. Тому осколки виявляються в більшості випадків радіоактивними і зазнають ланцюжок β - перетворень, супроводжуваних випусканням γ-променів.
Запропонована модель є ідеальною. Процес розмноження нейтронів протікав би таким чином за умови, що всі виділилися нейтрони поглинаються діляться ядрами. У реальних умовах це далеко не так. Перш за все через кінцевих розмірів поділяється тіла і великий проникаючої здатності нейтронів багато хто з них покинуть зону реакції перш, ніж будуть захоплені яких-небудь ядром і викличуть його розподіл. Крім того, частина нейтронів поглинеться ядрами неподільних домішок, внаслідок чого вийде з гри, не викликавши розподілу і, отже, не породивши нових нейтронів.
Поверхня тіла зростає як квадрат, а об'єм - як куб лінійних розмірів. Тому відносна частка вилітають назовні нейтронів зменшується із зростанням маси речовини, що ділиться.
Ланцюгова реакція
Природний уран містить 99,27% ізотопу U 238, 0,72% U 235 і близько 0,01% U 234. Таким чином, на кожне делящееся під дією повільних нейтронів ядро U 235 припадає 140 ядер U 238, які захоплюють не надто швидкі нейтрони без поділу. Тому в природному урані ланцюгова реакція поділу не виникає.
Ланцюгова ядерна реакція в урані може бути здійснена двома способами. Перший спосіб полягає у виділенні з природного урану ділиться ізотопу U 235. Внаслідок хімічної нерозрізненості ізотопів поділ їх є дуже важке завдання. Однак вона була вирішена декількома методами. Промислове значення набув дифузійний (точніше, ефузійним) метод поділу, при якому летуче з'єднання урану UF 6 (гексафторид урану) багаторазово пропускається через перегородку з дуже малими порами. У шматку чистого U 235 кожен захоплений ядром нейтрон викликає поділ з випусканням ~ 2,5 нових нейтронів. Однак, якщо маса такого шматка менше певного критичного значення (що становить для U 235 за обчисленнями німецького фізика В. Гейзенберга приблизно 9 кг), то більшість випущених нейтронів вилетить назовні, не викликавши поділу, так що ланцюгова реакція не виникає. При масі, більшою критичною, нейтрони швидко розмножуються і реакція набуває вибуховий характер. На цьому заснована дія атомної бомби. Ядерний заряд такої бомби представляє собою два або більше шматків майже чистого U 235 або Pu 239. Маса кожного шматка менше критичної, внаслідок чого ланцюгова реакція не виникає. У земній атмосфері завжди є деяка кількість нейтронів, народжених космічними променями. Тому, щоб викликати вибух, досить з'єднати частини ядерного заряду в один шматок з масою, більшою критичною. Це потрібно робити дуже швидко і з'єднання шматків повинно бути дуже щільним. В іншому випадку ядерний заряд розлетиться на частини перш, ніж встигне прореагувати помітна частка речовини, що ділиться. Для з'єднання використовується звичайну вибухову речовину (Запал), за допомогою якого однією частиною ядерного заряду вистрілюють в іншу. Всі пристрій поміщений в масивну оболонку з металу великої щільності. Оболонка служить відбивачем нейтронів і, крім того, утримує ядерний заряд від розпорошення до тих пір, поки максимально можливе число його ядер не виділить свою енергію під час ділення. Ланцюгова реакція в атомній бомбі йде на швидких нейтронах. Під час вибуху встигає прореагувати тільки частина ядерного заряду.
Інший спосіб здійснення ланцюгової реакції використовується в ядерних реакторах (званих також атомними котлами). В якості речовини, що ділиться в реакторах служить природний (або кілька збагачений ізотопом U 235) уран. Щоб запобігти радіаційний захоплення нейтронів ядрами U 238 (що стає особливо інтенсивним при енергії нейтронів - 7 еВ), порівняно невеликі блоки (шматки) речовини, що ділиться розміщують на деякій відстані один від одного, а проміжки між блоками заповнюють сповільнювачем, тобто речовиною, в якому нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей. Перетин захоплення теплових нейтронів ядром U 238 складає всього 3 барна, в той час як перетин поділу U 235 тепловими нейтронами майже в 200 разів більше (580 барн). Тому, хоча нейтрони стикаються з ядрами U 238 у 140 разів частіше, ніж з ядрами U 235, радіаційний захоплення відбувається рідше, ніж поділ, і при великих критичного розмірах всього пристрою коефіцієнт розмноження нейтронів може досягти значень, великих одиниці.
Уповільнення нейтронів здійснюється за рахунок пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається сповільнюємо частинкою, залежить від співвідношення мас частинок, що стикаються. Максимальна кількість енергії втрачається, якщо частинки мають однакову масу. З цієї точки зору ідеальним сповільнювачем мало б бути речовина, що містить звичайний водень, наприклад, вода (маси протона і нейтрона приблизно однакові). Однак такі речовини виявилися непридатними як сповільнювач, тому що звичайний водень поглинає нейтрони.
Ядра сповільнювача повинні володіти малим перерізом захоплення нейтронів і великим перетином пружного розсіювання. Цій умові задовольняють дейтерій, а також ядра графіту та берилію.
Список літератури
1. Елементарний підручник фізики. Під редакцією Г. С. Ландсберга. Том 3 - М.: Наука, 1972 р.
2. Курс загальної фізики, том 3. Оптика, атомна фізика, фізика атомного ядра і елементарних частинок. Савельєв І. В. - М.: Наука, 1971 р.