11.3. Космічні промені. Первинне космічне випромінювання. Проходження космічного випромінювання крізь атмосферу.

Космічними променями наз. стабільні мікрочастки, що заповнюють космічний простір – протони, α – частини і ін.. На шляху до поверхні Землі космічні промені мають пройти товстий (≈10³г/см³) шар речовини – атмосферу, в якій відбув. низка перетворень. Внаслідок цього на поверхню Землі падає випром., що не має нічого спільного з існуючим у космосі. Це випром. часто наз. вторинним, залишаючи термін первинне космічне випром. за високоенергетичними мікрочастинками космічного простору.

В місці знаходження Сонячної системи первинне космічне випромінювання ізотропне по напрямку і постійне в масі. Інтенсивність його складає 2-4 частки/см^-2∙сек^-1. Хімічний склад первинного космічного випром. поділений на групи представляється наступним чином: Р - група містить протони, α – частини і ядра ізотопу ³₂Не; L – група (міні ядра) –ядра Lі, Ве, В (z =3-5), М-група (середні ядра) – ядра С, О₂, N₂ і фтора (z =6-9), Н- група (тяжкі ядра) – ядра з z ≥10. Іноді вводять групу дуже тяжких ядер VН, тут z ≥20.

Для якісного пояснення поведінки космічних променів в атмосфері обмежимось розглядом лише самих головних процесів з участю відносно невеликої к-ті різних часток. З цієї точки зору найбільш суттєво первинна компонента випром. (атоми ядра, що пройшли безпосередньо з космосу, вторинна – нуклони (протони і нейтрони). І π – мезони, вибиті з атомних ядер поглинаючого середовища, третина компонента, що скл., в основному з μ-мезонів, і четвертина – фотони і електрони обох знаків.

Склад космічного випром. і його продуктів змінюється по мірі «занурення» в атмосферу. В її верхньому шарі в складі потоку частинок переважають нуклони, в середньому (від 17 до 5 км над рівнем моря) переважають електрони, позитрони і фотони, в нижніх шарах атмосфери, а також на деякій частині під землею та під поверхнею води переважають μ-мезони.

Пояснення такого складу випром. на різній висоті зводиться до наступного. Зіткнення ядер при дуже високій Е приводить до їх розщеплення, тобто випусканню протонів, нейтронів і більш важких атомів. Коли енергія літаючої частки ~1 ГеВ на нуклон, в процесах зіткнення стає можливим народження піонів. Коло 2/3 народжених піонів – заряджені, решта –нейтральні.

Заряджені піони розпадаються на μ-мезони відповідних знаків і нейтрино. μ-мезони, якщо їх енергія невелика, поступово сповільнюються, витрачаючи свою енергію в основному на іонізацію, і розпадаються на електрон (або позитрон) і нейтринную пару. Однак, якщо початково кінетична енергія μ-мезона перевищує 2 ГеВ, то він з більшою ймовірністю не тільки проходить атмосферу до Землі, але в стані досить глибоко в земну кору або воду відкритих водоймищ..

Піони можуть розпадатися з утворенням фотонів, а не μ-мезонів. Жорсткі протони, випущені при розподілі нейтрального піона, народжують в полі атомних ядер електронно-позитронні пари, які в полі зустрічних ядер народжують фотони гальмівного випромінювання, які знову народжують пари і так далі.

Вторинні протони і нейтрони, випущені при ядерних зіткненнях первинних космічних часток, володіючи енергією значно меншою ніж атоми, всі визивають ядерні реакції з виходом швидких нуклонів.

Таким чином, утворення і розпад піонів, народження і розпад μ-мезонів, народження електронно-позитронних пар, а також утворення фотонів при гальмуванні електронів і позитронів в полі ядер і при процесах перетворення електронних пар у фотони, слідують один за одним, утворюють складну ланку подій, що відбуваються в атмосфері і викликані первинними космічними ядрами.

9.Ядерна ізомерія. Внутрішня конверсія електронів. Ефект Мессбауера.

Ядерна ізомерія. Внутрішня конверсія електронів. Ефект Мессбауера

Як правило час життя збудженого стану дуже малий (<10^-13с), однак в деяких випадках збуджений стан ядра може існувати дуже довго. Такі ядерні стани називаються метастабільними. Ядра, які мають метастабільні рівнині, називаються ізомерами. Ядро - ізомер несе в собі властивості двох ядер: Його параметри(маса, спін, магніт. момент) в цих станах різні. Ізомерні стани часто бувають у важких ядрах (велика енергія збудження, сильна відмінність спінів станів, різні періоди піврозпаду). Ізомерні стани слід очікувати для тих А і Z, де близько по енергії розміщені оболонкові стани із сильно відмінним значенням спінів. Причиною ізомерії може бути сильна відмінність у формі ядра для ізомерного і основного станів.

Внутрішня конверсія полягає в тому, що атомне ядро, яке знаходиться у збудженому стані з енергією Е_і, може перейти в стан з меншою енергією Е_К, передавши енергію одному з електронів атомної оболонки. В результаті випускається електрон, енергія, якого , - енергія зв’язку електрона у К,L,М стані.

Внутрішня конверсія – це процес., який конкурує з γ-випромінювання і ця конкуренція характеризується повним коефіцієнтом внутрішньої конвенції α, який рівний відношеню ймовірності випусканння електронів до ймовірності випускання γ-квантів, тобто: , де - парціальні коефіцієнти внутрішньо конвенції для електронів К,L,M,…оболонкою. Внутрішня конверсія супроводжує β-розпадом, бо первинне ядро може розпастися через β-емісію до втор. Ядра на збуджений стан, який знімається через відповідні переходи.

Якщо ен. збудження ядра переважає власну ен. ядра вдвічі, то може відбутися процес парної конверсії. В цьому випадку ядро втрачає ен. збудження шляхом випуску електрона і позитрона. Електронна оболонка атома на такій процес не має впливу, атому він може відбуватися на ядрі без атомних електронів, але ймовірність парної конверсії не перевищує 0.001 від йм. Випромінювання γ-кванта.

Ефектом Мессбауера є резонансне поглинання γ-квантів на ядрах речовин, яке виникає тоді коли енергія γ-квантів співпадає з рівнем збудженого ядра.

В експерименті ,як джерело γ-квантів використовувався радіоактивний Со, який пвд час β – розпаду перетворювався на збуджений заліза ⁵⁷Fe, а останній випромінював γ-квант. Як мвшень заостосовувався ізотоп заліза ⁵⁷Fe. Використовувалися 2 лічильники. Для 1 випадку, коли резонансного поглинання немає, працює лише прямий лічильник. Для 2 випадку коли спостерігається резонанс, боковий лічильник виявляв γ-випромінючання збудженої мішені, а покази прямого – зменшилися.

Окрім основного резонансного піка, спостерігалися додаткові піки, які пояснюються надтонким розчеплення енергетичних рівнів ядра внаслідок різної орієнтації ядерних магнітних момент ва у маг. полі.

Завдяки високій чутливості ефекту М. було перевірено та підтверджено висновки СТВ про сповільнення перебігу часу на рухомих об’єктах відносно нерухомого спостерігача, а також висновок ЗТВ про вплив на енергію γ-квантів поля тяжіння.

10.Випромінювання Вавілова-Черенкова.

В 1934 р.Черенков вiдкрив новий вид свiчення. Дослiджуючи люмiнесценцiю розчинiв уранових солей пiд дiєю γ - променiв радiя, він виявив свiчення, яке неможливо було пояснити звичайним механiзмом збудження флуоресценцiї. Biдoмо, що флуоресценцiя виникає в результатi переходiв aтомів або молекул мiж збудженими станами. Тривалiсть флуоресцентного висвічування t ~ 10^-10 с, причому на ймовiрнiсть переходiв можна дiяти, наприклад, шляхом додавання деяких гасячих речовин, або навпаки очисткою середовища, змiною Т. Однак, жодним способом погасити виявлене свiчення не вдалося.

Подальше вивчення свiчення показало наступне :

1. Спостерiгається сильна змiна поляризацiї свiчення при накладеннi магн. поля. Це свiдчить про те, що свiчення викликається не γ - квантами, а зарядженими частннками. Такими частииками в експер.Черенкова могли бути електроии, якi виникають при взаємодiї γ - квантів з середовищем за рахунок фотоефекта в ефектi Компотна.

2. Iнтенсивнiсть випром. не залежить вiд заряду середовища Z, тому воно не може бути радiацiйного походження.

3. Випром. направлене пiд певним кутом по вiдношенню до руху зарядженоiї частинки. Свiчення Черенкова було пояснене на основі класичної електродинамiки. Твердження класичної електродинамiки про відсутність втрат на випром. у частинки ; що рухається рівномірно i прямолiнiйно, rpунтується на допущеннi, що швидкiсть руху частинки менша за швидкiсть поширення свiтла. Однак, ця умова може бути порушена при pyci частинки в середовищi з показником заломлення n > 1. В цьому випадку швидкiсть свiтла в середовищi с' = с/ n < с, i рух частинки має вiдбув. зi швидкiстю v, що перевищує швидкiсть поширення її власного електромагнiтного поля v> с' = с/ n. Розрахунки показують, що поле такої надшвидкої частинки буде сильно збурене i почне гальмувати частинку, в результатi чого остання втрачає Е, яка видiляється в середовищi у формi черенковського свiчення. Механiзм свiчення полягає в когерентному випром. диполiв, якi виникають в результатi поляризацiї атомів середовища при pyci в ньому зарядженої частннки зi швидкiстю бiльшою за швидкiсть свiтла в цьому середовищi. Диполi утв. пiд дiєю ел. поля пролітаючої частинки, яке змiщує електрони довколишнiх атомів вiдносно їх ядер. Повернення диполiв в нормальний стан супроводжуcrься випусканням ел.магн. iмnyльсу. Якщо частинка рухається порiвняно повiльно, то виникаюча поляризацiя буде розподiлена симетрично вiдносно мiсця знах. частннки, оскiльки ел.поле частинки встигає поляризувати вci атоми довкола, включаючи i тi,що знах. на шляху її руху. в цьому випадку результуюче поле вcix диполiв далi вiд частинки буде = 0 i їх випром. погасять одне одного. Якщо частинка рухається в середовищi зi швидкiстю, яка перевищує швидкiсть поширення ел.магн. поля ( v > с' = с/ n), то повинен спостер. своєрiдний ефект запiзнюючої поляризацiї середовища, в результатi якого yтв. диполi будуть отр.переважну орiєнтацiю в сторону руху частинки. В цьому випадку, очевидно, повинен iспувати такий напрямок, вздовж якого може виникнути когерентне випром. диполiв, оскiльки хвилi, випущенi диполями в рiзних мiсцях шляху частиики, можуть виявитись в однаковiй фазi. Ефект Черенкова широко застосовуcrься при конструюваннi приладiв для визначення швидкостi частинок, якi швидко перемiщуються, так званих черенковсъкux лiчильнuкiв. Вибiр середовища для генерацiiї черенковського випром.визначаcrься дiапазоном, в якому потрiбно проводити експеримент за допомогою черенковського лiчильника. Дуже зручним матерiалом при цьому виявились прозорi пластмаси. Черенковськi лiчильники виготовляються також з рiдинним i газовим наповненням.

11.Проблеми керованого термоядерного синтезу.

Термоядернi реакції –це реакції синтезу легких ядер, що вiдбув. лише при високiй Т. Для злиття 2 ядер їх треба зблизити на вiдстань ядерних взаємодiй - 2 *10^-15 м. Для цього потрiбно виконати роботу проти сил електростатичного відштовхування ядер: A=Z₁Z₂e² , тут Z1,Z2- порядкові номери

4Πε₀r елементів; r=2*10^-15 м- радіус дії ядерних сил. Навіть для найлегших ядер з Z1=Z2=1, якими є ядра нуклонів ¹Н ,²Н ,³Н, робота A=1,35*10^-13Дж=0,72МеВ.

Для виконання цієї роботи кожна з двох частинок повинна мати Ек 3/2kТ=1/2*1,35*10^-13Дж.

Звiдси випливає, що злиття ядер можливе при Т = 2* 10⁹ К . Насправдi реакції синтезу легких ядер вiдбув. з помiтною iнтенсивнiстю при значно нижчих Т, порядку 10⁷ К. Причина цього - наявнiсть у тепловому pyci частинок зi швидкостями, значно вищими вiд cepeднix, кpiм того істотню роль вiдiграє тунельний ефект. Згiдно з квантовою механiкою існує певна ймовiрнiсть того, що частинка проникає крiзь потенцiальний барє'р з Е меншою вiд нього, проходячи наче через тунель у бар'єрi. Найсприятливiшi умови ств. для реакцiй синтезу ядер iзотопiв водню; вони можуть давати тaкi три типи реакuiй : ²₁H+²₁H →³₂H+¹₀n+3,2 МеВ

²₁H+²₁H →³₁H+¹₁H +4 МеВ ²₁H+³₁H →⁴₂Hе+¹₀n +17,6 МеВ

З найбiльшою ймовiрнicтю вiдбув. 3-я реакцiя синтезу ²₁H i ³₁H, яка має резонансний характер, тобто вiдповiдає умовам, коли Е складеного ядра, що утв. при захопленнi бомбардуючої частинки, точно вiдловiдає Е одного iз збуджуючих станів цього ядра. При тiй самiй Т синтез ²₁H та ³₁H вiдбув. в 100 разiв швидше, нiж двi першi реакції. Оскiльки Е зв'язку нуклонiв у легких ядрах значно менша нiж у середнiх ядрах, у реакцiях синтезу легких ядер видiляється значна Е. Внаслiдок повної реакцiї синтезу ядер 1 кг сумiшi ²₁H і ³₁H видiляпься Е + 72 * 1013 Дж, яка у 8 разiв бiльша вiд Е подiлу

1 кг ²³⁵U. Першу реакцiю синтезу ²₁H і ³₁H було здiйснено в СРСР у 1953 р. у виглядi вибуху потужної водневої бомби. Високої Т, необхiдної для реакції синтезу, було досягнуто завдяки вибуху уранової бомби; подальше зростання Т зумовлювалося перебiгом реакцiї синтезу. Kpiм реакцiї синтезу водню в гелiй, з великою ймовiрнiстю вiдбуваються реакцiї синтезу лiтiю з ²₁H :

Вивiльнення величезної Е в реакцiях синтезу легких ядер висунуло на перший план проблему здiйснення керованих термоядерних реакцiй. Вирiшення цiєї проблеми дало б змогу викор. як ядерне паливо великi запаси H₂ на Землi. Хоча найлегшим є повний синтез однакової к-тi ²₁H і ³₁H, все ж у майбутньому головне значення матимуть реакцii' синтезу чистого ²₁H. ³₁H у природi дуже мало, тодi як природнi запаси ²₁H практично необмеженi. К-ть ²₁H у водах океанів оцiнюcrься в 10¹⁷ кг; 1 лiтр звичайної води за Е еквiвалентний ~ 400 л нафти.

Здійснення керованих ядерних реакцій пов’язане із значними труднощами : треба забезпечити розігрів ²₁H в обмеженому об’ємі до Т понад 10⁸К. Ще важче забезпечити ізоляцію від стінок посудини, в якій вона міститься. Адже дотик плазми до стінок посудини зумовив би їх бурхливе випаровування, а сама плазма раптово б охолоджувалася, що припинило б термоядерну реакцію. Для утв. Високотемпературної плазми практикують потужні імпульсні ел. розряди в газах. У цих розрядах І~2МеА. Імпульси такого струму дістають від зарядження потужними батареями конденсаторів. У момент розряду Т плазми досягає кількох десятків мільйонів ⁰К.