Камера Вильсона
Камера Вильсона – это старейший и на протяжении многих десятилетий (вплоть до 50 – 60-х годов) единственный тип трекового детектора. Выполняется обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилетающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщенным парами воды или спирта. При резком, т.е. адиабатном, расширении газа пар становится пересыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана. Образовавшиеся треки для воспроизводства их пространственного расположения фотографируются стереоскопически, т. е. под разными углами. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц (например, –частица оставляет сплошной жирный след, – частица – тонкий), об энергии частиц (по величине пробега), о плотности ионизации (по количеству капель на единицу длины трека), о количестве участвующих в реакции частиц.
Диффузионная камера
Диффузионная камера – это разновидность камеры Вильсона. В ней рабочим веществом также является пересыщенный пар, но состояние пересыщения создается диффузией паров спирта от нагретой (до 10 °С) крышки ко дну, охлаждаемому (до –60 °С) твердой углекислотой. В отличие от вильсоновской диффузионная камера работает непрерывно. Кроме того, из-за отсутствия поршня в ней могут создаваться давления до 4 МПа, что значительно увеличивает ее эффективный объем.
Пузырьковая камера
В пузырьковой камере рабочим веществом является перегретая (находящаяся под давлением) прозрачная жидкость (жидкие водород, пропан, ксенон). Запускается камера, так же как и камера Вильсона, резким сбросом давления, переводящим жидкость в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая в это время через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара – образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фотографируется. Пузырьковая камера работает циклами. Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камеры Вильсона (от десятков сантиметров до 2 м), но их эффективный объем на 2 – 3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пузырьковые камеры для исследования длинных цепей рождений и распадов частиц высоких энергий.
Ядерные фотоэмульсии
Ядерные фотоэмульсии – это простейший трековый детектор заряженных частиц. Прохождение заряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра. Так как эмульсия – среда более плотная, чем газ или жидкость, используемые в вильсоновской и пузырьковой камерах, то при прочих равных условиях длина трека в эмульсии более короткая. При исследовании высокоэнергетических частиц используются также так называемые стопы – большое число маркированных фотоэмульсионных пластинок, помещаемых на пути частиц и после проявления промеряемых под микроскопом
Большое значение играют приборы – искровые камеры, использующие преимущества счетчиков (быстрота регистрации) и трековых детекторов (полнота информации о треках). Говоря образно, искровая камера — это набор большого числа очень мелких счетчиков. Поэтому она близка к счетчикам, так как информация в ней выдается немедленно, без последующей обработки, и в то же время обладает свойствами трекового детектора, так как по действию многих счетчиков можно установить треки частиц.
106
2.11. Ядерные реакции и их основные типы
Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с –квантами) или друг с другом.
Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:
X + a Y + b, или X (а, b) Y, где X и Y – исходное и конечное ядра; а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.
Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:
1). по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов,–частиц); реакции под действием –квантов; 2). по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (поряд-
ка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием –квантов и заряженных частиц (протоны, –частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющее большое значение для их изучения; 3). по роду участвующих в них ядер – реакции на легких ядрах (А < 50); ре-
акции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100); 4). по характеру происходящих ядерных превращений – реакций с испуска-
нием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько –квантов).
2.11.1. Реакции деления ядра
Было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы – лантан и барий.
Этот результат положил начало ядерным реакциям совершенно нового типа – реакциям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц, делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых ней-
тронами деления.
Испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными.
Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t 10 -14 с), а часть (около 0,7 %) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 с t 60 с). Первые из них называ-
107
ются мгновенными, вторые – запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 МэВ до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ. Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии. При делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления, а также между продуктами последующего распада осколков деления. Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана 23892U , тория 23290Th, протактиния 23191 Pa и плутония 23994 Pu .
2.11.2. Цепная реакция деления
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления – ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требо-
вание k 1.
Не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Вопервых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется
критической массой.
При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменя-
ется. При k < 1 идет затухающая реакция.
108
Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией.
2.11.3. Понятие о ядерной энергетике
Большое значение в ядерной энергетике приобретает не только осуществление цепной реакции деления, но и управление ею. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления,
называются ядерными реакторами.
Ядерный реактор является мощным источником проникающей радиации (нейтроны, –излучение), примерно в 1011 раз превышающей санитарные нормы. Поэтому любой реактор имеет биологическую защиту – систему экранов из защитных материалов (например, бетон, свинец, вода), располагающуюся за его отражателем, и пульт дистанционного управления.
Ядерные реакторы различаются: 1) по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель, теплоноси-
тель); 2) по характеру размещения ядерного топлива и замедлителя в актив-
ной зоне: гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом) и гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков); 3) по энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах; в по-
следних используются нейтроны деления и замедлитель вообще отсутствует); 4) по типу режима (непрерывные и импульсные); 5) по назначению (энергетические, исследовательские, реакторы по производству новых делящихся материалов, радиоактивных изотопов и т.д.).
В соответствии с рассмотренными признаками и образовались такие названия, как уран-графитовые, водо-водяные, графито-газовые реакторы и др. Среди ядерных реакторов особое место занимают энергетические реак- торы-размножители. В них наряду с выработкой электроэнергии идет процесс воспроизводства ядерного горючего. Это означает, что в реакторе на естественном или слабообогащенном уране используется не только изотоп 23592U , но и изотоп 23892U . В настоящее время основой ядерной энергетики с воспроизводством горючего являются реакторы на быстрых нейтронах.
Впервые ядерная энергия для мирных целей была использована в
СССР. В Обнинске под руководством И. В. Курчатова введена в эксплуатацию (1954) первая атомная электростанция мощностью 5 МВт.
2.11.4. Реакции синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций.
Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия 12H и трития 13H ) к литию 36Li и особенно к гелию 24He, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что действительно подтверждается расчетами.
109
Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях
238U
деления тяжелых ядер. Если при делении ядра 92 выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции синтеза эта величина равна 3,5 МэВ.
Для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка 107 К. Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вещество находится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта.
Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 107 К и выше), называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Начало широкого международного сотрудничества в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза положено работами И. В. Курчатова.
3. Элементы физики элементарных частиц
3.1. Космическое излучение
Развитие физики элементарных частиц тесно связано с изучением космического излучения – излучения, приходящего на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства.
Измерения интенсивности космического излучения, проводимые методами, аналогичными методам регистрации радиоактивных излучений и частиц приводят к выводу, что его интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h 50 км остается практически постоянной.
Различают первичное и вторичное космическое излучение. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Исследование его состава показало, что первичное излучение представляет собой поток элементарных частиц высокой энергии, причем более 90% из них составляют протоны с энергией примерно 109–1013 эВ, около 7% – –частицы и лишь небольшая доля (около 1%) приходится на ядра более тяжелых элементов (Z > 20).
С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные час-
110