Образование химических элементов в космических телах 1

Примечание. Знак ~ означает античастицу. В третьей графе слева от кружочков приведена величина массы элементарных частиц, выраженная в электронных массах.

Одно из самых важных свойств элементарных частиц— их взаимопревращаемость. Сразу же после открытия позитрона была обнаружена его способность аннигилировать[1], т. е. взаимодействовать с электроном с образованием двух гамма-квантов по реакции е⁺ — e^- → _← 2y-кванта. Известен и обратный процесс: возникновение при столкновении двух гамма-квантов — позитрона и электрона. Этот факт явился первым убедительным доказательством взаимопревращаемости элементарных частиц.

Протон и нейтрон также взаимопревращаемые частицы п ^→_← p + e‾ Нейтрон может существовать длительное время только в ядре. Период полураспада свободного нейтрона равен 12 мин. Испытывают превращение и другие частицы и античастицы. Например, на рис. 5 изображены схемы распада некоторых гиперонов на мезоны и нуклоны.

Число элементарных частиц возрастает с каждым годом. Поэтому в физике в настоящее время создается такое же положение, какое было в химии до создания периодической системы химических элементов. Среди физиков все сильнее проявляется стремление к систематизации элементарных частиц и к сведению их числа к минимуму. Делаются попытки отыскать ту «первоматерию», из которой построены все частицы. Высказываются предположения, что некоторые из них являются самостоятельными частицами только в возбужденном состоянии или представляют собой комбинации других частиц.

Изучение процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами привело к выявлению структуры нуклонов — протонов и нейтронов. В опытах по рассеянию быстрых электронов ядрами водорода и дейтерия получено, что нуклон состоит из плотной «сердцевины» диаметром 2  · 10^-14 см и двух концентрических мезонных оболочек (рис. 6). Оказалось также, что у протона сердцевина содержит 12 % полного заряда, внутренняя оболочка — 60 % и внешняя — 28 %. Такая структура нуклонов свидетельствует о том, что их взаимодействие в ядре может осуществляться путем обмена мезонами. Один нуклон испускает мезон, другой поглощает его. Взаимодействиями подобного рода, по-видимому, и обусловлены ядерные силы.

Рис. 5. Схемы распада некоторых гиперонов. На фотографии, полученной в камере Вильсона, запечатлен распад ламбда-нуль-частицы на протон и пи-минус мезон.

Рис. 6. Структура нуклона: 1 — «сердцевина» нуклона; 2 — оболочка из мезонов.

4. О ядерных реакциях

Под ядерными реакциями понимается взаимодействие различных частиц (нейтронов—_оn¹, протонов — р, дейтронов — d, α-частиц, многозарядных ионов, γ-квантов и мезонов) с ядрами химических элементов, что приводит к изменению заряда или массового числа последних. В настоящее время изучено уже более тысячи различных ядерных реакций. Основные их характеристики — порог и сечение реакции.

Рис. 7. Зависимость потенциальной энергии ядра (U) от расстояния между ним и заряженной частицей (R). Стрелкой указано проникновение заряженной частицы с энергией Е, меньшей высоты потенциального барьера.

Чтобы вызвать ядерные превращения, бомбардирующая частица должна прежде всего проникнуть в ядро мишени, преодолев потенциальный барьер, т. е. область с повышенной потенциальной энергией, которая разделяет области с более низкими энергиями. В ядре (рис. 7) потенциальный барьер образуется в результате наложения ядерных сил (выраженных участком MKDC) и кулоновского отталкивания (участок АВ). Высота этого участка, называемого кулоновским барьером, зависит от массового числа атома и природы бомбардирующих частиц. Она может быть определена по формулам:

Так, для альфа-частиц высота кулоновского барьера в углероде составляет около 3 Мэв, в меди —10 Мэв и в свинце— 22 Мэв. Нейтроны не имеют заряда, и поэтому для них не существует кулоновского барьера ядра. Они могут проникать в него при любых малых энергиях. Этим фактом объясняется большая эффективность ядерных реакций с нейтронами. Та минимальная энергия бомбардирующей частицы, ниже которой ядерная реакция уже не может протекать, называется порогом реакции. Обычно порог ядерных реакций с заряженными частицами составляет несколько мегаэлектронвольт.

Другой характеристикой ядерных реакций является величина их эффективного сечения, которая отражает вероятность протекания того или иного ядерного процесса. Если на тонкую мишень падает поток частиц ε с постоянной плотностью и в ней в единицу времени происходит п реакций, то эффективным сечением данной реакции, отнесенным на одно ядро, будет называться величина где q — число ядер в веществе облучаемой мишени;