Полупроводники
Мастерская
Электроника
Карта

К оглавлению раздела Физика

Эффект Мёссбауэра

Взаимодействие нуклонов Квантовая физика учитывает квантовые свойства поля: всякому полю должна соответствовать определенная частица — квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодействий частиц и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуществляются путем обмена фотонами).

Масса и энергия связи ядра Измерения показывают, что масса любого ядра mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: mя < Zmp + Nmn. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.

Эффект Мёссбауэра Пусть имеются два одинаковых первоначально покоящихся ядра, одно из которых находится в основном состоянии, другое — в возбужденном с энергией возбуждения Е*

Деление ядер Реакция деления ядра Реакция деления ядра происходит при облучении тяжелого ядра нейтронами, при этом ядро делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление тяжелых ядер может быть вызвано не только нейтронами, но и протонами, дейтронами, α-частицами, а также γ-фотонами

Пусть имеются два одинаковых первоначально покоящихся ядра, одно из которых находится в основном состоянии, другое — в возбужденном с энергией возбуждения Е*. Переходя в основное состояние, возбужденное ядро испускает γ-квант с энергией ħω и импульсом ħω / с, удовлетворяющим законам сохранения:

(16.27)

где К — энергия отдачи ядра. Из этих уравнений следует, что

(16.28)

здесь т — масса ядра.

Согласно первой из формул (16.27) энергия γ-кванта ħω сдвинута относительно энергии Е* ядерного перехода на величину К — энергию отдачи ядра. Поэтому γ-квант сможет поглотиться другим ядром только при условии, что сдвиг

(16.29)

где Г — ширина возбужденного уровня Е*.

Выясним, насколько выполняется соотношение (16.29). Например, ядро  при переходе из первого возбужденного состояния испускает γ-квант с энергией ħω ≈ 14 кэВ. При этом его энергия испытывает сдвиг на величину

Ширина же Г первого возбужденного уровня, время жизни которого τ ~ 10-7 с, согласно соотношению неопределенностей ∆Е ·∆t ~ ħ равна

(16.30)

Таким образом, сдвиг К не меньше Г, а наоборот, больше на пять порядков, что далеко перекрывает возможность резонансного поглощения. Известно, что атомы наиболее интенсивно поглощают свет частоты, соответствующей переходу из основного состояния атома в ближайшее к нему возбужденное состояние. Это явление называют резонансным поглощением. Другими словами, фотоны, испущенные атомом при переходе из первого возбужденного состояния в основное, без всяких проблем поглощаются такими же атомами, поскольку их частоты практически совпадают. В рассмотренном выше примере для ядра условия далеки от резонансного поглощения.

И тем не менее явление резонансного поглощения γ-лучей было обнаружено Мёссбауэром (1958) . Это оказалось возможным только с ядрами, входящими в состав кристалла. При этом существует вероятность испускания γ-кванта ядром с отдачей, которую воспринимает не ядро, а весь кристалл в целом, не меняя своего внутреннего состояния (т. е. без возбуждения колебаний решетки). Масса кристалла несопоставимо велика по сравнению с массой отдельного ядра, поэтому энергия отдачи кристалла практически равна нулю. В результате частота испущенного γ-кванта не смещается относительно резонансного значения, и этот γ-квант может быть поглощен другим таким же ядром, тоже входящим в состав кристалла.

В этом заключается суть эффекта Мессбауэра: испускание и поглощение γ-квантов без отдачи, т. е. резонансное. Этот эффект удается наблюдать только при очень низких температурах, но иногда и при комнатных температурах (в случае с Fe).

Эффект Мессбауэра наблюдают так. Источник γ-излучения приводят в движение с небольшой

Рис. 16.6.

скоростью υ навстречу поглотителю или в обратном направлении. При этом измеряют скорость счета γ-квантов за поглотителем. Если υ ≠ 0, то резонанс нарушается: линии испускания и поглощения сдвигаются относительно друг друга за счет эффекта Доплера. При υ = 0 наблюдается резонансное поглощение γ-квантов, что показано на рис. 16.6.

Благодаря очень малому отношению ширины Г возбужденных ядерных уровней к энергии возбуждения Е* (Г/Е* ~ 10-12 ÷ 10-16) эффект Мессбауэра дает уникальный метод измерения ничтожных изменений энергии, которые не могут быть измерены никаким другим методом.

В частности, с помощью этого эффекта удалось обнаружить в лабораторных условиях гравитационное смещение спектральных линий (уменьшение частоты фотона при удалении его от источника тяготения). Для этого надо было измерить относительное изменение энергии фотона порядка 10-15 на базе около 20 м, что впервые и проделали Паунд

и Ребка (1960).

Ядерные реакции

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами) или друг с другом. Это взаимодействие возникает благодаря действию ядерных сил при сближении частиц до расстояний порядка 10-13 см.

Наиболее распространенным типом ядерной реакции является взаимодействие частицы

а с ядром X, в результате чего образуется частица b и ядро Y. Это записывают символически так:

a + X → Y + b

или в сокращенном виде

(16.31)

Роль частиц а и b чаще всего выполняют нейтрон п, протон р, дейтрон d, α-частица и γ-квант.

Выход ядерной реакции

В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать с помощью эффективного сечения σ. Наглядно σ интерпретируется как площадь сечения ядра X, попадая в которую налетающая частица вызывает реакцию.

Если мишень из ядер X настолько тонкая, что ядра не перекрывают друг друга, то относительная доля площади S мишени, перекрытая ядрами X, равна σnS/S = σn, где п — число ядер на единицу площади мишени. И мы можем сказать, что относительное число ∆N/N частиц а, вызвавших ядерную реакцию (или, другими словами, вероятность Р, что частица а вызовет ядерную реакцию), определяется как

(16.32)

Эту величину называют выходом ядерной реакции

(16.33)

Непосредственно измеряемой величиной является w. Зная w и п, можно найти σ с помощью (16.32).

Если мишень не тонкая, то выражение для w усложняется:

Геометрическое сечение ядра имеет порядок 10-24 см2. Эту величину принимают за единицу ядерных сечений и называют барном (б),

Из-за волновых и квантовых свойств частиц сечение σ может оказаться как меньше геометрического сечения, так и больше (причем иногда значительно). Это зависит как от самих взаимодействующих частиц, так и от кинетической энергии налетающей частицы а. В качестве примера на рис. 16.7 приведена кривая зависимости сечения захвата нейтрона ядром 238U от кинетической энергии К нейтрона.

Рис. 16.7.

 

 

 

 

Типы ядерных реакций

Установлено, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап — это захват налетающей частицы а ядром X с образованием составного (или промежуточного) ядра. При этом энергия частицы а быстро перераспределяется между всеми нуклонами ядра, и составное ядро оказывается в возбужденном состоянии. В этом состоянии ядро пребывает до тех пор, пока в результате внутренних флуктуации на одной из частиц (которая может состоять и из нескольких нуклонов) не сконцентрируется энергия, достаточная для вылета ее из ядра.

Эти реакции иногда записывают с указанием составного ядра С, как например

(16.34)

где звездочка у С указывает на то, что ядро С* возникает в возбужденном состоянии.

Составное ядро С* существует достаточно долго — по сравнению с «ядерным временем», т. е. временем пролета нуклона с энергией порядка 1 МэВ (υ ≈ 109 см/с) расстояния, равного диаметру ядра. Ядерное время τя ≈ 10-21 с. Время же жизни составного ядра в возбужденном состоянии ~ 10-14 с. Т. е. в ядерном масштабе составное ядро живет действительно очень долго. За это время все следы истории его образования исчезают. Поэтому распад составного ядра — вторая стадия реакции — протекает независимо от способа образования составного ядра.

Реакции, вызываемые быстрыми частицами с энергией, превышающей десятки МэВ, протекают без образования составного ядра. И ядерная реакция, как правило, является прямой. В этом случае налетающая частица непосредственно передает свою энергию какой-то частице внутри ядра, например, одному нуклону, дейтрону, α-частице и т. д., в результате чего эта частица вылетает из ядра.

Типичная реакция прямого взаимодействия — это реакция срыва, когда налетающей частицей является, например, дейтрон. При попадании одного из нуклонов дейтрона в область действия ядерных сил он будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон дейтрона окажется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически реакцию срыва записывают как (d, n) или (d, p).

При бомбардировке ядер сильно взаимодействующими частицами с очень высокой энергией (от нескольких сотен МэВ и выше) ядра могут «взрываться», распадаясь на множество мелких осколков. При регистрации такие взрывы оставляют след в виде многолучевых звезд.

Энергия реакции

Принято говорить, что ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Это надо понимать так. Пусть Е0 и Е'0 — суммы энергий покоя исходных частиц и продуктов реакции. Полная энергия в реакции сохраняется, т. е.

(16.35)

где К и К' — суммарные кинетические энергии исходных частиц и продуктов реакции. Из этого равенства следует, что убыль суммарной энергии покоя (Е0 - Е'0) равна приращению суммарной кинетической энергии (К' - К) и наоборот. Эти величины и называют энергией реакции Q:

(16.36)

Реакции с Q > 0 называют экзоэнергетическими (с выделением энергии, кинетической), реакции же с Q < 0 — эндоэнергетическими. Часто ядерную реакцию с учетом Q записывают так:

(16.37)

16.6.4. Порог реакции

 Из механики известно, что кинетическая энергия К системы частиц может быть представлена как

(16.38)

где  — кинетическая энергия этой системы частиц в Ц-системе, а КС — кинетическая энергия, связанная с движением системы как целого, т. е. с движением центра масс С системы. Энергия КС сохраняется и в реакции не участвует, поэтому формулу (16.36) мы можем представить в виде

(16.39)

Изобразим для наглядности схему ядерной реакции в энергетической шкале в Ц-системе для двух случаев:

Q > 0, реакция экзоэнергетическая (рис.16.8),

Q < 0, реакция эндоэнергетическая (рис.16.9).

Рис. 16.8. Рис. 16.9.

Из этих рисунков видно, что, во-первых, всякая реакция, обратная экзоэнергетической, будет эндоэнергетической. Во-вторых, экзоэнергетическая реакция может идти при сколь угодно малой энергии сталкивающихся частиц (если нет каких-либо запретов на ту или иную реакцию). Эндоэнергетическая же реакция может идти только тогда, когда суммарная энергия  сталкивающихся частиц (в Ц-системе) превосходит некоторое минимальное значение, которое называют порогом реакции.

Порог реакции, т. е. минимальная энергия Кпор налетающей частицы измеряется всегда в Л-системе, где ядра мишени покоятся.

Найдем выражение для Кпор налетающей частицы. Этот вопрос наиболее просто решается в Ц-системе, где ясно (см. рис. 16.9), что суммарная кинетическая энергия  частиц до столкновения во всяком случае должна быть не меньше |Q| , т. е.  ≥ |Q|.

Отсюда следует, что существует минимальное значениемин = |Q|, при котором кинетическая энергия системы целиком пойдет на создание покоящихся в Ц-системе частиц т' и М'.

Теперь перейдем в Л-систему. Так как в Ц-системе при мин образовавшиеся частицы т' и М' покоятся, то это значит, что в Л-системе при соответствующем значении пороговой энергии Кпор налетающей частицы обе частицы, т' и М', после образования будут двигаться как единое целое, причем с суммарным импульсом, равным импульсу р налетающей частицы, и кинетической энергией р2/2(т + М). Поэтому

А так как Кпор = р2/2т, то, исключив р2 из этих двух уравнений, получим

(16.40)

Это и есть пороговая кинетическая энергия налетающей частицы т, начиная с которой данная эндоэнергетическая реакция становится энергетически возможной.


Самые лучшие зрелые проститутки Белгорода | Самые лучшие стройные проститутки Геленджика Вернуться на Главную