Физика пространства - времени
Шрифт:
Быстрый
дейтрон
+
Покоящийся
дейтрон
Протон
с очень
высокой
энергией
+
Ядро
трития с
высокой
энергией
Нейтрон
с очень
высокой
энергией
+
Ядро
гелия-3
высокой
энергией
или
H^2
(быстрый)
+
H^2
H^1
+
H^3
n
+
He^3
(93)
Обе альтернативные реакции, описываемые схемой (93), происходят со сравнимыми частотами при взрыве водородной бомбы (или «термоядерного оружия»). Они приводят к высвобождению значительной энергии, что характерно для устройств, использующих дейтерий («тяжёлый водород» H^2). Кинетическая энергия продуктов такой термоядерной реакции в сотни раз превышает кинетическую энергию первоначальных дейтронов.
Масса ядра трития, определённая из законов сохранения, согласуется с его массой, измеренной с помощью спектрометра
Реакция, приводящая к возникновению ядра трития [первая из двух альтернативных реакций (93)], служит наиболее точным самостоятельным методом проверки законов сохранения, какой только возможно найти в физике вообще. Реализация этого метода возможна потому, что с помощью масс-спектрометра удаётся независимым образом точно определять массы покоя всех частиц, принимающих участие в этой реакции (дейтрона, протона и ядра трития).
Но массу покоя нейтрона невозможно определить независимым образом столь же точно. Поэтому мы не концентрируем внимания на второй реакции (93), приводящей к образованию нейтрона. Она непригодна для проведения наиболее точных проверок эквивалентности массы и энергии. Нейтрон — нестабильная частица (со средним временем жизни около 17 мин), а что важнее всего, он безразличен к воздействию электрического и магнитного полей в масс-спектрометре (электрически нейтрален!). Такая безразличность является препятствием для прецизионного независимого определения массы нейтрона.
Допустим, что мы сосредоточили бы здесь своё внимание не на ядре трития, а на нейтроне. На что могли бы мы надеяться, не располагая независимо определённым точным значением массы нейтрона? Нам пришлось бы отказаться от попыток проверки законов сохранения, и вместо этого мы могли бы использовать законы сохранения для определения массы нейтрона с относительной точностью около 10. Что же может гарантировать нам, что законы сохранения дают в применении ко второй реакции средство для надёжного определения массы нейтрона? Дело в том, что законы сохранения, если применить их к первой реакции, дают такое значение массы ядра трития, что оно согласуется с данными масс-спектрометрии даже лучше, чем до 10 своей величины. (См. на стр. 166—167 «Анализ реакции H^2+H^2->H^1+H^3»). Как эта последняя проверка законов сохранения, обладающая наивысшей точностью, так и множество других экспериментов в прочих областях физики, проводимых с несколько меньшей прецизионностью, убедительно говорят о полноценности принципа сохранения.
Необходимо сделать оговорку о тех единицах, в которых проведены расчёты на стр. 166—167. В принципе было бы естественно выразить все значения энергии и импульса в килограммах по аналогии с предыдущими расчётами в этой главе. Однако для этого пришлось бы перевести все величины, измеренные с помощью масс-спектрометра, из «атомных единиц массы» (АЕМ — новая шкала, выбранная в 1961 г., когда перешли от O^1=16,000 к C^1^2=12,000) в килограммы, одновременно переведя значения кинетической энергии, измеряемые физиками-ядерщиками в электронвольтах, в килограммы. Удобнее выражать энергию в единицах АЕМ, избегая расчётов, в ходе которых АЕМ переводятся в килограммы. К тому же все используемые нами формулы справедливы
при любом выборе единиц для массы-энергии, лишь бы только эти единицы последовательно использовались от начала и до конца. Но тогда будет нужно перейти от электронвольт к АЕМ. Как это сделать? К счастью, для этого нет необходимости знать число килограммов, содержащихся в 1 АЕМ, или, что то же, не надо знать, сколько атомов содержится в одном грамм-атоме (число Авогадро N=(6,02252±0,00028)·10^2^3). Та неопределённость, с которой в настоящее время известна эта величина (10), повлияла бы на все наши выводы, если бы мы захотели совершить переход к килограммам. Множитель перехода от электронвольт к АЕМ вычислен на стр. 168.АНАЛИЗ 1) РЕАКЦИИ H^2 (БЫСТРЫЙ) +H^2->H^1+H^3
1) Приведённые здесь экспериментальные данные были опубликованы в статье Е.N. Strait, D.М. Van Patter, W.W. Buechner, A. Sperduto, Physical Review, 81, 747 (1951). Авторы выражают признательность Бюхнеру и Спердуто за дополнительную информацию и за обсуждение последовательной интерпретации этих данных.
Законы сохранения импульса и энергии:
E
+
m
=
E
+
E
(сохранение энергии),
(94)
p
x
+
0
=
0
+
p
x
сохранение
компоненты x
импульса
(95)
0
+
0
=
p
y
+
p
y
сохранение
компоненты y
импульса
(96)
0
+
0
=
0
+
p
y
сохранение
компоненты z
импульса
(97)
Нижние индексы указывают здесь массовое число изотопа, а черта над символом означает, что эта величина взята после реакции.
Любое из четырёх уравнений (94) — (97) может рассматриваться как независимый источник информации о ядре трития — либо относительно его энергии, либо о соответствующей компоненте его импульса. Но нас интересует не вся совокупность этой информации — мы хотим найти одну простую характеристику ядра трития, не совпадающую ни с одной из этих четырёх величин, а именно его массу покоя. К счастью, эта масса покоя определяется как абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса:
m^2
=
E
^2
–
(
p
x
)^2
–
(
p
y
)^2
–
(
p
z
)^2
.
(98)
Подставим в эту формулу величины компонент из уравнений (94)—(97); мы получим тогда
m^2
=(
E
+
m
–
E
)^2-(
p
x
+0-0)^2-(0+0-
p
y
)^2-
– (0+0-0)^2
=
=
[
E
^2-0-(
p
y
)^2-0]
+
[E^2-(p
x
)^2-0-0]
+
+
m^2
–
2m
E
+
2m
E
–
2E
E
=
=
[m^2]
+
[m^2]
+
+
m^2
–
2m