§ 71. Эксперименты в ядерной физике

Определения и обозначения

Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер, сопровождающееся излучением. Ядро при этом меняет состав или энергетическое состояние без внешнего запуска. Понятие нужно, чтобы отличать естественный распад от излучения, созданного работой экспериментальной установки.

Опыт Резерфорда — исследование рассеяния альфа-частиц тонкой металлической фольгой для выяснения строения атома. По числу частиц, прошедших прямо или отклонившихся, судят о распределении массы и заряда внутри атома. Этот опыт привёл к ядерной модели атома.

Камера Вильсона — прибор, в котором по видимым следам конденсации пара обнаруживают траектории заряженных частиц. Пролетающая частица ионизирует газ, а капли жидкости образуются преимущественно вдоль её пути. Поэтому глаз наблюдает не саму частицу, а оставленный ею след.

Нейтрон — электрически нейтральная частица атомного ядра, обнаруженная в опытах Чедвика. Несмотря на отсутствие заряда, нейтрон обладает массой, близкой к массе протона, и участвует в ядерных взаимодействиях. Это понятие необходимо для правильного описания состава атомного ядра.

Как это устроено

Радиоактивный источник испускает альфа-частицы, а коллиматор — система отверстий или узких каналов — выделяет из них направленный пучок. На его пути помещают очень тонкую металлическую фольгу, чтобы частицы сталкивались с небольшим числом атомов. За фольгой располагают экран или счётчик, регистрирующий направление и число прилетевших частиц.

Большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти без отклонения, потому что атом в основном состоит из пустого пространства, а ядро занимает ничтожную часть его объёма. Электроны слишком легки, чтобы заметно изменить движение тяжёлой альфа-частицы. Сильное отклонение возможно только при близком пролёте возле массивного положительно заряженного ядра, отталкивающего альфа-частицу.

Редкие отклонения на большие углы показывают, что положительный заряд и почти вся масса атома не распределены равномерно. Они сосредоточены в малом объёме, который назвали ядром. Так возникла ядерная модель: вокруг компактного ядра находится электронная оболочка, а расстояния между ядром и электронами намного больше размера самого ядра.

Камера Вильсона и счётчики регистрируют частицу через её взаимодействие с веществом. Заряженная частица ионизирует молекулы газа, а в пересыщенном паре ионы становятся центрами конденсации; так возникает видимая цепочка капель. Толстый след обычно означает более сильную ионизацию и большую потерю энергии, длина связана с пробегом, а искривление в магнитном поле помогает определить знак заряда и отношение заряда к импульсу.

Чедвик облучал бериллий альфа-частицами и получил неизвестное проникающее излучение. Оно выбивало быстрые протоны из парафина, хотя само не отклонялось электрическими и магнитными полями. Применение законов сохранения энергии и импульса показало, что это поток незаряженных частиц с массой, близкой к протонной, — нейтронов.

Основные эксперименты в ядерной физике и их выводы

Сначала определите, какой объект или процесс создаёт частицы, затем найдите наблюдаемое воздействие и только после этого формулируйте вывод. Таблица помогает не смешивать прибор, результат наблюдения и физическое объяснение.

Разбор задач

1. Рассеяние альфа-частиц

На фольгу направили 10 000 альфа-частиц. 9990 прошли почти прямо, а 10 отклонились на большие углы. Требуется определить, какое строение атома подтверждает такой результат.

1. Сравним доли частиц: подавляющее большинство прошло без заметного отклонения.
2. Сделаем вывод, что основная часть объёма атома почти пуста для пролетающей альфа-частицы.
3. Редкие сильные отклонения объясним близким столкновением с малой областью, где сосредоточены масса и положительный заряд.

Ответ: результат подтверждает ядерную модель атома. В центре находится маленькое плотное положительно заряженное ядро, а вокруг него — преимущественно пустое пространство.

2. Толщина следа в камере Вильсона

В камере Вильсона видны два следа одинаковой длины, но один толще другого. Нужно объяснить, какие свойства частиц можно сравнить по этим следам и почему.

1. Одинаковая длина означает примерно одинаковый пробег частиц в данных условиях, но сама по себе не доказывает равенство их масс или зарядов.
2. Толщина следа определяется количеством ионов и капель на единице длины, поэтому более толстый след указывает на более сильную ионизацию газа.
3. Сильная ионизация обычно связана с большей потерей энергии частицы при движении; знак заряда и импульс дополнительно изучают по искривлению следа в магнитном поле.

Ответ: по длине сравнивают пробег, а по толщине — интенсивность ионизации и потери энергии. Для точного определения заряда и импульса нужны также направление и кривизна траектории.

3. Неизвестное излучение бериллия

При бомбардировке бериллия альфа-частицами возникает излучение, выбивающее протоны из парафина. Требуется определить его природу и объяснить, почему это не поток заряженных частиц.

1. Заряженный поток отклонялся бы в электрическом или магнитном поле, но неизвестное излучение этого не делает.
2. Столкновение с протонами показывает, что излучение переносит энергию и импульс; по скоростям выбитых протонов оценивают массу сталкивающейся частицы.
3. Законы сохранения приводят к массе, близкой к массе протона, при нулевом электрическом заряде.

Ответ: излучение нельзя считать потоком заряженных частиц, потому что оно не отклоняется электрическими и магнитными полями. Это поток нейтронов — незаряженных частиц атомного ядра.

Типичные ошибки

Распределённый заряд. Ошибка состоит в представлении, будто положительный заряд и почти вся масса равномерно заполняют атом. Так думают, если забывают о редких отклонениях на большие углы. Проверка проста: объясните, почему при такой модели сильные отклонения были бы невозможны или крайне необычны.

Любое излучение — радиоактивность. Радиоактивность означает самопроизвольное превращение ядра, а не всякое излучение прибора или реакции. Ошибка возникает из-за бытового смешения терминов. Проверьте, есть ли источник самопроизвольного распада нестабильных ядер.

След равен фотографии частицы. В камере Вильсона видны капли конденсата, возникшие вдоль ионизированного пути. След исчезает или меняется вместе с условиями в камере, поэтому это не изображение самой частицы. Нужно различать объект, его взаимодействие со средой и результат регистрации.

Нейтрон — это электрон. Нейтрон действительно электрически нейтрален, но его масса близка к массе протона, а электрон гораздо легче и относится к оболочке атома. Ошибку предотвращает сравнение не только зарядов, но и масс и места нахождения частиц.

Связь с другими темами

Для понимания экспериментов нужны знания о строении атома, электрическом заряде, ионизации, а также законах сохранения энергии и импульса. Эти опыты подготавливают изучение ядерных реакций, радиоактивных превращений и энергии связи ядра. Их результаты применяются в радиационной диагностике, дозиметрии, ядерной энергетике и физике элементарных частиц.

Что запомнить

• Эксперимент позволяет по наблюдаемым следствиям восстановить внутреннее строение атома и ядра.
• В опыте Резерфорда большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти прямо.
• Редкие отклонения на большие углы свидетельствуют о существовании малого массивного положительно заряженного ядра.
• Камера Вильсона регистрирует траектории заряженных частиц по следам ионизации.
• Нейтрон не имеет электрического заряда, но обладает массой, сравнимой с массой протона.
• Выводы ядерной физики опираются на измерения и законы сохранения, а не только на теоретические предположения.