Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Существуют также мегаэлектронвольт (Мэв), равный миллиону электронвольт, и биллион электронвольт (Бэв) [134] В разных частях света слово «биллион» имеет разные значения. Например, для американца эта миллиард (1 000 000 000), в то время как для англичанина — биллион (1 000 000 000 000). То, что американцы называют биллионом, англичане назовут «тысячей миллионов». В Великобритании 1 000 000 000 электронвольт называют гигаэлектронвольт (Гэв). . Биллион электронвольт равняется 1,6∙10 –8. В принципе это очень небольшое количество энергии, но для одной субатомной частицы оно просто огромно.

В последнее время в электронвольтах все чаще обозначают массу субатомных частиц. Масса электрона равна 9,1∙10 –28граммов. По формуле Эйнштейна e = mc 2 (см. ч. II) получаем энергетический эквивалент, равный 8,2∙10 –7эрг, что, в свою очередь, равно 510 000 эв, или 0,51 Мэв.

Длину волны электромагнитного излучения также можно представить в электронвольтах. Согласно квантовой теории, e = hν, где e — энергия одного кванта электромагнитного излучения, эрг; h — постоянная Планка, эрг/сек, ν — частота излучения, Гц.

Таким образом, длина волны (обозначается λ, — «лямбда») равняется пройденному излучением за одну секунду в вакууме расстоянию (c), деленному на количество образовавшихся за это время волн, то есть частоту излучения ν:

или

Поставив c/λ в формулу квантовой теории e = hν , получим:

или

где h равняется 6,62∙10 –27эрг-с, а c — 3,00∙10 10см в секунду, соответственно hc равняется 1,99∙10 –16эрг. Приводим уравнение 9.5 к виду:

Теперь, если мы подставим 1,6∙10 –12эрг (один электрон вольт) вместо e в формуле 9.6, то получим 1,24∙10 –4сантиметров. Другими словами, излучение длиной 1,24 микрона (инфракрасный спектр) состоит из протонов, энергия которых 1 эв.

Таким образом, 1 Кэв — это энергия излучения, длина волны которого в 1000 раз больше 1 эв, т. е. 1,24 миллимикрона, или 12,4 ангстрема. Это уже диапазон рентгеновского излучения. Точно так же 1 Мэв — это энергия излучения, длина волны которого 0,0124 ангстрема (диапазон гамма-лучей).

По формуле 9.6, запас энергии видимого света колеблется от 1,6 эв для красной части спектра и 3,2 эв для фиолетовой. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение поглощаются и испускаются во время обычных химических реакций. Таким образом, во время обычных химических реакций используется энергия не более 1–5 эв. Основная сложность проведения ядерных реакций заключается в том, что для таких реакций энергии нужно гораздо больше — тысячи, даже миллионы электронвольт.

Устройства, испускающие субатомные частицы с уровнем энергии в несколько килоэлектронвольт и выше, получили названия ускорителей элементарных частиц. Так как такие частицы используются для разрушения атомных ядер и возбуждения ядерных реакций, то устройства также называли ускорителями ядерных частиц, но сейчас этот термин практически вышел из моды.

Первый удачный ускоритель частиц, адаптированный под ускорение протонов, был сконструирован английским физиком Джоном Кокрофтом (1897–1967) и его ирландским коллегой Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1929 году.

Протоны в ядерных реакциях использовать удобнее, чем альфа-частицы, так как они обладают меньшим зарядом и поэтому меньше подвержены силам отталкивания ядра.

Кроме того, протоны являются ионизированными атомами водорода (Н +), в то время как альфа-частицы являются ионизированными атомами гелия (Не ++), а водород гораздо легче ионизируется.

В ускорителе Кокрофта — Уолтона для получения огромного электрического, заряда и ускорения протонов до 380 Кэв применялся умножитель напряжения (связка из нескольких конденсаторов).

В 1931 году ученые смогли настолько ускорить частицы, что им удалось разрушить ядро атома лития:

Это была первая полностью искусственная реакция, так как даже применявшиеся при ее проведении бомбардирующие частицы были получены искусственно.

В том же 1931 году были созданы еще три типа ускорителей частиц.

Американский физик Роберт Ван-де-Грааф (1901–1967) построил механизм, внешне напоминавший половину гантели, поставленную на пол. Внутри находился «конвейер», переносивший положительный заряд в верхнюю часть, а отрицательный — в нижнюю, создавая огромный разноименный электростатический заряд. Благодаря значительной разности потенциалов с помощью такого электростатического генератора можно было разгонять частицы до 1,5 Мэв, а впоследствии и до 18 Мэв.