Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 217. Ускорители. Пучки быстрых α-частиц, даваемые ра-
диоактивными препаратами, оказались незаменимым средством зондирования атомов (§ 203). Пожалуй, еще б´ ольшую роль сыг- рали пучки быстрых частиц в изучении а т о м н ы х я д е р (гл. XXIV). Однако для исследования атомных ядер понадоби- лись заряженные частицы более быстрые, в большем числе и в большем ассортименте (не только α-частицы и электроны, но также протоны, дейтроны 1 ) и ядра всех химических элементов), чем могут дать радиоактивные препараты. Для удовлетворения этой потребности были разработаны различные типы так назы- ваемых ускорителей — приборов для искусственного ускорения заряженных частиц до больших энергий. История ускорителей ведет начало с 1932 г., когда сотрудни- ки Резерфорда — английский физик Джон Кокрофт (1897–1967) и ирландский физик Эрнест Уолтон (р. 1903) — построили установку для получения протонов с энергией до п о л у м и л- л и о н а электронвольт. За истекшие годы техника ускорителей достигла большого развития: в настоящее время существуют приборы, сообщающие частицам энергию в с о т н и м и л л и- а р д о в электронвольт. Чтобы сообщить заряженной частице энергию, достаточно заставить ее пройти ускоряющую разность потенциалов. Увели- 1 ) Дейтронами называют ядра тяжелого водорода (дейтерия). 540 Гл. XXIII. Радиоактивность чивая эту разность потенциалов, мы увеличим энергию частицы. Нельзя, однако, идти по этому пути очень далеко из-за опасности пробоя изоляции при высоком напряжении. Практическим пре- делом является напряжение 5–8 МВ (мегавольт). Напряжения такого порядка получаются с помощью э л е к т р о с т а т и ч е- с к и х г е н е р а т о р о в (см. том II, § 31). Рис. 390. Общий вид вакуумной камеры циклотрона Чтобы преодолеть этот предел, поскольку разность потенци- алов свыше 8 МВ осуществить невозможно, остается ускорять частицы о д н о й и т о й ж е разностью потенциалов много-
стицы сравнительно небольшой разностью потенциалов и ле- жит в основе большинства современных ускорителей. Примером осуществления этой идеи служит так называемый циклотрон, предложенный в 1936 г. американским физиком Эрнестом Ло- уренсом (1901–1958). Принцип действия циклотрона состоит в следующем. Два полых электрода (называемых дуантами) монтируются в непрерывно откачиваемой до высокого вакуу- ма камере и помещаются между полюсами сильного магнита (рис. 390–392). К дуантам прикладывается быстропеременная разность потенциалов. В центре камеры между дуантами уста- навливается источник ионов (например, газовый разряд в атмо- сфере водорода) (рис. 392). В те полупериоды переменного тока, когда электрическое поле направлено от дуанта 1 к дуанту 2, из щели источника 3 вытягиваются положительные ионы. Про- ходя промежуток между дуантами, ионы приобретают некоторую энергию, зависящую от разности потенциалов между дуантами. В поле магнита ионы движутся по окружности (§ 198). Замеча- тельной особенностью движения в однородном магнитном поле
Гл. XXIII. Радиоактивность 541
является н е з а в и с и м о с т ь в р е м е н и о б р а щ е н и я о т с к о р о с т и ч а с т и ц ы, так как с увеличением скорости ча- стицы увеличивается и радиус круговой траектории частицы. Действительно, согласно (198.1) радиус окружности, описывае- мой частицей в поле B, r = mv/qB. Рис. 391. Общий вид циклотрона, ускоряющего протоны до энергии 25 МэВ; 1 — вакуумная камера, 2 — ярмо электромагнита, 3 — полюсы электромагнита с надетыми на них намагничивающими обмотками Отсюда время одного оборота равно τ =
2 πr v = 2 π v mv qB = 2 πm qB , т. е. при постоянных m, q и B время τ не зависит от v, а значит, и от энергии частицы. Пусть период переменной разности потенциалов, приложен- ной к дуантам, в т о ч н о с т и р а в е н в р е м е н и о б р а щ е- н и я τ . В этом случае, когда ион, описав полуоборот в дуанте 2 (рис. 392), подойдет во второй раз к зазору между дуантами, электрическое поле в зазоре будет направлено уже от 2 к 1, т. е. по направлению движения иона. Следовательно, пройдя за- зор, ион удвоит свою энергию. Описав теперь полуоборот в ду- анте 1, ион встретит в зазоре поле, направленное снова от 1 к 2, и еще увеличит свою энергию и т. д. По мере увеличения скорости иона радиус его траектории возрастает согласно (198.1). Траектория иона в циклотроне напо- минает поэтому раскручивающуюся спираль. Нетрудно, исполь- зуя (198.1), рассчитать энергию ионов, оказавшихся в результате 542 Гл. XXIII. Радиоактивность ускорения на расстоянии R от источника: W = mv
2 = q 2 B 2 R 2 2 m . Из-за явления магнитного насыщения железа (см. том II, жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|