§3.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ СО СРЕДОЙ

Сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия протона.

— Разновидности электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.

— Особенности взаимодействия нейтронов со средой.

— Быстрые и тепловые нейтроны.

— Замедлители и поглотители нейтронов.

— Взаимодействие γ-квантов со средой: фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар.

При движении частиц в какой-либо среде они взаимодействуют с ее атомами, т. е. с атомными ядрами и окружающими их электронами. Характер взаимодействия определяется видом частицы, ее энергией, свойствами среды и условиями, в которых взаимодействие происходит.

Так, протон может участвовать во всех трех видах взаимодействия: сильном (ядерном), электромагнитном и слабом. Пролетая мимо атома на расстоянии , он будет ионизировать атом (неупругое электромагнитное взаимодействие протона с электронами атома). Пролетая мимо протона или атомного ядра на расстоянии , он будет испытывать упругое кулоновское (электромагнитное) рассеяние на электрическом заряде протона (ядра). Если же протон будет пролетать от ядра или нуклона на расстоянии , то он будет преимущественно взаимодействовать с ним ядерным (сильным) образом (упругое или неупругое рассеяние протона ядром или нуклоном).

При неупругом рассеянии часть энергии протона идет на возбуждение ядра. В частном случае неупругого взаимодействия протон может поглотиться ядром, а вместо него из ядра вылетит какая-либо другая частица. В таких случаях говорят о ядерной реакции (§ 6).

Если кинетическая энергия протона Т_р очень велика — несколько сот мэгаэлектронвольт (Мэв)*, то при его соударении с ядром (или нуклоном) могут образовываться новые частицы (например, π-ме зоны).

*1 Мэв= 10⁶эв= 1,6-10^-6 эрг.

При этом ни нуклон, ни ядро не исчезают. Новые частицы возникают за счет кинетической энергии протона (см. § 20, п. 2). При встрече протона с электроном они могут (правда, с очень малой вероятностью) провзаимодействовать слабым образом с образованием нейтрона и нейтрино: (так называемый обратный (β-распад).

При движении в среде протон встречает множество атомов, находящихся на различных расстояниях от траектории его полета. Поэтому в принципе, он может (с существенно различной вероятностью) испытать все перечисленные выше виды взаимодействий (а также ряд других, на которых мы здесь не останавливались).

Аналогично ведут себя и многие другие заряженные частицы, например а-частицы. Но, конечно, в их поведении имеются специфические особенности, обусловленные величиной заряда, массы и др. Напомним, что в результате изучения упругого кулоновского рассеяния а-частиц было открыто атомное ядро.

Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц не ограничивается ионизацией атомов и кулоновским рассеянием на ядрах. Заряженные частицы испытывают и другие виды электромагнитного взаимодействия: радиационное торможение (особенно характерно для электронов) и излучение Вавилова — Черепкова при движении заряженных частиц со скоростью, превышающей скорость света в данной среде (см. § 13).

Нейтрон так же, как и протон, может участвовать во всех трех видах взаимодействий. Однако из-за отсутствия у него электрического заряда электромагнитное взаимодействие проявляется сравнительно слабо (только за счет наличия магнитного момента). Основными видами взаимодействия нейтронов являются упругое и неупругое рассеяние нейтронов ядрами и ядерный захват.

Относительная вероятность этих процессов зависит от свойств среды и энергии нейтронов. Известно, например, что быстрый () нейтрон, попавший в графит, испытывает серию упругих соударений с ядрами углерода и постепенно теряет свою кинетическую энергию (замедляется), пока (примерно через 110—120 соударений) она не сравняется с энергией теплового движения атомов. Такие нейтроны называются тепловыми. Кинетическая энергия тепловых нейтронов зависит от температуры среды (замедлителя). При комнатной температуре ее среднее значение равно 0,025 эв. Дальнейшие соударения тепловых нейтронов с ядрами углерода практически не изменяют их энергии. Тепловые нейтроны перемещаются в среде (диффундируют) до тех пор, пока не будут захвачены ядрами углерода или примесей. Если графит хорошо очищен от примесей, то тепловой нейтрон проходит в нем до поглощения очень большой путь (время жизни теплового нейтрона в чистом графите около 0,01 сек, что соответствует ~1600 соударениям с ядрами углерода). В связи с этим графит считается хорошим замедлителем. Он был использован при конструировании первых ядерных реакторов и применяется в качестве замедлителя до сих пор.

Аналогичным образом протекает процесс замедления нейтронов в водородсодержащих средах (например, в воде). Однако в этом случае быстрые нейтроны скорее становятся тепловыми (примерно за 20 соударений), так как при каждом соударении с ядром водорода (протоном) нейтрон теряет очень большую часть своей кинетической энергии (в среднем 50%). Другим отличием воды от графита является меньшее время жизни в ней теплового нейтрона (~0,0002 сек), что объясняется значительно большей вероятностью захвата теплового нейтрона протоном по сравнению с ядром углерода (примерно через 150 соударений). Таким образом, вода быстро замедляет нейтроны, но плохо сохраняет их. Поэтому обычную воду нельзя считать очень хорошим замедлителем.

Зато превосходным замедлителем является тяжелая вода D₂O, так как ядра тяжелого изотопа водорода — дейтерия в отличие от протонов захватывают тепловые нейтроны с ничтожно малой вероятностью (время жизни теплового нейтрона в тяжелой воде составляет около 0,15 сек, что соответствует около 13500 соударениям).

Не меньшее значение имеют и вещества с противоположными свойствами. Типичными примерами таких сред являются кадмий и бор, которые отличаются чрезвычайно большой вероятностью захвата тепловых нейтронов. Кадмий и бор используются как поглотители тепловых нейтронов в регулирующих стержнях ядерных реакторов,

γ-Кванты при прохождении через среду испытывают три основных вида взаимодействия (все они электромагнитные): фотоэффект, эффект Комптона и процесс образования электрон-позитронных пар.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения мягких у-квантов в тяжелых веществах. В процессе фотоэффекта вся энергия γ-кванта E_γ передается одному из электронов атома. При этом небольшая ее часть (равная энергии связи электрона в атоме ее) идет на отрыв электрона, а остальная преобразуется в его кинетическую энергию Т_е:

Измеряя энергию вылетевшего из атома фотоэлектрона, можно оценить энергию γ-кванта. Фотоэффект на свободном электроне невозможен.

Эффектом Комптона называется процесс рассеяния γ-кванта на свободном электроне. В процессе рассеяния γ-квант изменяет направление своего движения и теряет часть энергии. Избыток его энергии передается комптоновскому электрону. Изучение компто-новских электронов также позволяет определять энергию γ-квантов.

Если энергия γ-квантов превосходит , то в окрестности ядра за счет энергии у-кванта становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар. Этот процесс невозможен в вакууме.

При взаимодействии у-квантов с ядрами последние могут переходить в возбужденное состояние (§4). γ-Кванты с энергией, превышающей несколько мэгаэлектронвольт, могут вырывать из ядра протоны, нейтроны, α-частицы, т. е. вызывать ядерные реакции.