дейтрон
⎞
⎟
⎠
+
⎛
⎜
⎝
Покоящийся
дейтрон
⎞
⎟
⎠
↗
↘
⎛
⎜
⎜
⎜
⎝
Протон
с очень
высокой
энергией
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
+
⎛
⎜
⎜
⎜
⎝
Ядро
трития с
высокой
энергией
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
⎛
⎜
⎜
⎜
⎝
Нейтрон
с очень
высокой
энергией
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
+
⎛
⎜
⎜
⎜
⎝
Ядро
гелия-3 с
высокой
энергией
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
или
𝙷²
(быстрый)
+
𝙷²
↗
↘
𝙷¹
+
𝙷³
𝑛
+
𝙷𝚎³
(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» 𝙷²). 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 10⁻⁵. 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 10⁻⁵ своей величины. (См. на стр. 166—167 «Анализ реакции 𝙷²+𝙷²→𝙷¹+𝙷³»). 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 𝙾¹⁶=16,000 к 𝙲¹²=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)⋅10²³). Та неопределённость, с которой в настоящее время известна эта величина (10⁻⁵), 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 𝙷² (БЫСТРЫЙ) +𝙷²→𝙷¹+𝙷³
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:
𝐸₂
+
𝑚₂
=
𝐸
₁
+
𝐸
₃
(сохранение энергии),
(94)
𝑝₂
𝑥
+
0
=
0
+
𝑝
₃
𝑥
⎛
⎜
⎜
⎝
сохранение
компоненты 𝑥
импульса
⎞
⎟
⎟
⎠
(95)
0
+
0
=
𝑝
₁
𝑦
+
𝑝
₃
𝑦
⎛
⎜
⎜
⎝
сохранение
компоненты 𝑦
импульса
⎞
⎟
⎟
⎠
(96)
0
+
0
=
0
+
𝑝
₃
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:
𝑚₃²
=
𝐸
₃²
-
(
𝑝
₃
𝑥
)²
-
(
𝑝
₃
𝑦
)²
-
