Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика



Pdf көрінісі
бет291/346
Дата19.01.2022
өлшемі6,71 Mb.
#24105
түріУчебник
1   ...   287   288   289   290   291   292   293   294   ...   346
Байланысты:
Ð Ð Ð½Ð Ñ Ð ÐµÑ Ð³ Ð Ð ÐÐ ÐµÐ¼ÐµÐ½Ñ Ð Ñ Ð½Ñ Ð¹ Ñ Ñ ÐµÐ

§ 217. УскорителиПучки 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-

кратно. Идея м н о г о к р а т н о г о ускорения заряженной ча-

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 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; — вакуумная камера, — ярмо электромагнита, — 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 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 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



2

=

q



2

B

2



R

2

2



m

.

Из-за явления магнитного насыщения железа (см. том II,




Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   287   288   289   290   291   292   293   294   ...   346




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет