Естественные и искусственные ядерные превращения
Таким образом, исследователи пришли к выводу, что в - излучение представляет собой поток лёгких, отрицательно заряженных частиц с относительно малой величиной энергии.
а - излучение тоже является потоком более массивных частиц, но заряженных положительно. а - частицы, как выяснилось позже, являются дважды ионизированным атомом гелия, т.е. ядрами гелия.
Третья компонента, у - излучение. Оно обладает огромной проникающей способностью и является, по сути, потоком, Y - квантов, т.е. квантов (порций) жёсткого электромагнитного излучения высокой частоты.
Французский учёный Поль Вийяр в 1901 г. установил, что третий компонент «урановых лучей» никак не взаимодействует с электромагнитным полем и походит по своим свойствам на X - лучи Рентгена.
Несмотря на то, что обсуждаемые виды излучения имеют корпускулярно - волновую природу, т. е. они, строго говоря, - дуальны. Далее, для простоты изложения, будем считать их потоком частиц.
- 1 - 10 МэВ, в то время как, энергия связи внешних электронов имеет порядок We
- 6 - 10 эВ, а энергия химических превращений и того меньше - WCs * 2 - 5 эВ.
Вполне объяснимо, что получив такие энергетические оценки, человечество отставило всё прочие свои научные забавы и с настойчивостью рашпиля набросилось на покорение ядра. Перспективы буквально захватывали дух учёных, в алчных сообществах политиков и военных уже строились планы мирового господства.
При рассмотрении ядерных процессов заряд ядра, как и прежде, обозначается через Z, а массовое число (округлённый атомный вес) - А. Значение А обозначается верхним индексом, а величина Z - нижним индексом, т.е. A^X или XAZ.
Ядро атома водорода при выборе такой символики обозначается как HY т.е.
Уравнение а - распада, когда «материнское» ядро испускает а^ и превращается в ядро другого элемента, можно записать
Очевидно, что дочерний элемент Y, атомный номер которого на две единицы меньше атомного номера материнского ядра, должен находиться относительно X в таблице Д.И. Менделеева левее на две клетки.
Уравнение Р - распада, сопряжённого с испусканием электронов e-1 представится следующим образом
Заряд материнского ядра увеличивается на единицу, а массовое число не меняется, элемент Y, образующийся в результате в - распада элемент сдвинут относительно ядра Х вправо на одну клетку.
Записанные соотношения выражают правило радиоактивного смещения. Следует отметить, что при распаде ядер не утрачивает силы законы сохранения импульса, энергии и заряда. Образующееся ядро Y тоже может быть неустойчивым, и будет распадаться дальше.
Показательным, в этом смысле, является пример распада урана (u^8 ), которое, выбрасывая а - частицу, с максимальной энергией W^^ = 4,2МэВ, превращается в изотоп тория
ТТ238 -ти 234 . „ 4
который в таблице Д.И. Менделеева занимает положение на две клетки левее материнского элемента.
Ядро тория Th92034 не является стабильным, оно испытывает дальнейший распад, испуская в - частицу с энергией WP( = 0,2МэВ и мягкий у - фотон с энергией
Wf = hv = 0,093МэВ, превращаясь в изотоп протактиния
Th204 ^ Ac004 + е-1.
Ядро протактиния далее (А=234, Z = 91) испускает ещё одну а - частицу с энергией W^ = 2,32МэВ и ещё один у - фотон с энергией Wf = 0,8МэВ, превра
щаясь в изотоп урана
U92 тоже радиоактивен и, распадаясь далее, переходит в очередной радиоактивный элемент ионий - изотоп тория.
Каждый элемент из радиоактивного семейства испускает а - частицу или в - частицу не одновременно, а последовательно. Образец чистого U92238 испускает
только а - частицы, но через непродолжительное время можно фиксировать все три вида излучения, т. к. в образце присутствуют несколько элементов семейства.
Существует несколько семейств радиоактивных элементов, общим для них является, то, что расположены они в самом конце таблицы Менделеева за свинцом Pb207. Ядро свинца является самым тяжёлым из устойчивых ядер.
Процесс естественного распада ядер протекает самопроизвольно и не подвержен внешним влияниям. Поскольку в распаде одновременно участвуют множество ядер одновременно, то явление имеет статистический смысл.
Скорость распада радиоактивных элементов принято характеризовать промежутком времени, за который распадается половина всех ядер, это время Т называется периодом полураспада.
Так, например, период полураспада полония Po24° составляет Т = 140 суток,
это значит, что от 1 кг полония в результате распада останется 500 г, а ещё через 140 дней - 250 г и так далее.
Таким образом, вероятность распада ядер полония, впрочем, как и всех других неустойчивых ядер, остаётся неизменной. Не распавшиеся за определённое время ядра имеют те же свойства, что и исходные ядра, т.е. процесс не является результатом эволюции ядер. Ядра не подвержены «старению».
Количественная оценка радиоактивного распада делается в предположении, что число распавшихся ядер за достаточно малый промежуток времени, всегда пропорционально исходному числу не распавшихся ядер. Если в некоторый момент времени t число ядер данного типа было N(t), то уменьшение общего числа ядер - dN за время dt определится следующим образом:
где к = - dN/N -=- постоянная распада при dt = 1. Другими словами, постоянная радиоактивного распада равна вероятности распада одного ядра за единицу времени.
Рис. 4.6. Кривая полураспада
ln-N =-kt или N = N0e kt,
где N0 - число ядер в момент времени t = 0. Из уравнения (4.7) видно, что число ядер радиоактивного исходного элемента убывает во времени по экспоненциальному закону (рис.4.6).
Число распадов в единицу времени определится как
величина а называется активностью данного радиоактивного препарата. В качестве единицы активности исполь-
1 кюри = 3,7-107 событий /с.
Эта величина соответствует примерно активности 1 г радия, активность которого соответствует 0,994 кюри. Уравнение распада позволяет установить взаимосвязь между постоянной распада и периодом полураспада
откуда следует, что
- m 1, 1 ln2 0,693
- :
Периоды полураспада радиоактивных различных элементов отличаются, друг от друга в весьма широких пределах - от миллионных долей секунды до нескольких миллиардов лет. В табл. 4.1 приведены периоды полураспада некоторых активных изотопов.
Конечным продуктом любой последовательности распадов является изотоп с устойчивым ядром, который образуется постепенно по мере распада материнских ядер.
Как отмечено выше, цепочка последовательных превращений включает в себя ряд элементов которые, отличаются от обычных только массой ядер, они называются изотопами.
На рис. 4.7. приведена цепочка превращения ядер урана U92235 в стабильные ядра свинца. На схеме приведены периоды полураспада в соответствующих единицах.
Ядра изотопов содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов, поэтому заряд ядра у изотопов одинаков, что обуславливает одинаковость структуры их электронных оболочек.
Протон представляет собой ядро простейшего элемента - водорода. Протон имеет положительный заряд, совпадающий поразительным образом по величине с зарядом электрона, а вот масса, как отмечалось ранее, протона в 1836,13 раз больше массы электрона
Отметим ещё раз, что последнее обстоятельство делает окончательно неясным фундаментальный смысл электрического заряда. Непонятно, каким образом частицы электрон и протон, имея одинаковый по модулю заряд, различаются столь значительно по массе.
Число протонов в ядре определяет его заряд. Протон относится к барионам и имеет спин, равный s = ±1/2 и подчиняются статистике Дирака - Ферми. Протон достаточно стабильная частица, период его существования оценивается в 1026 -
1027 лет. Совместно с нейтроном протон образует группу из двух частиц - изото
пический дуплет, именуемый нуклоном (N).
Протон, при сообщении ему энергии, может проникать в вещество, что сопровождается уменьшением энергии. Наличие у протона положительного заряда позволяет путём ионизации атомарного водорода получать высоко энергетичные потоки частиц.
Новый вид радиоактивных излучений был открыт в начале 30-х годов при бомбардировке бериллия а - лучами. С помощью ионизационной камеры Чедвик показал, что это излучение состоит из тяжелых нейтральных
Изучение с помощью камеры Вильсона показало, что треки испускаемых бериллием частиц были невидимы, - следовательно, они не ионизировали молекул воздуха, но были видны треки ядер - протонов (рис. 4.8), испытавших столкновения с такими частицами. Новые частицы были названы нейтронами. Их масса оказалась приблизительно равной массе протона.
Нейтрон явился своеобразным ключом, открывшим путь
Рис. 4.8. Треки протонов к запасам ядерной энергии. Сейчас о нейтроне известно достаточно многое:
Он лишен заряда, его масса тр = 1,008665 а.е.м. незначительно - примерно на две электронных массы - превышает массу протона, его спин равен спину протона, а все ядра представляют собой плотную упаковку из смеси протонов и нейтронов.
Гипотеза о протонно-нейтронной структуре ядра была выдвинута сразу же после открытия нейтрона несколькими учеными почти одновременно: советским физиком Д. Д. Иваненко и Вернером Гейзенбергом.
Гарольд Юри в 1932 г., открыл тяжелый изотоп водорода - дейтерий, ядра которого представляют собой связанное состояние протона и нейтрона.
В свободном состоянии нейтрон довольно быстро, с периодом полураспада 10,7 мин, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино по схеме
В ядре нейтрон связан прочными ядерными силами и, как правило, стабилен, но иногда испытывает распад по обычной схеме, причем протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино излучаются. Именно эти электроны воспринимаются как в - лучи.
Ядерные силы существенно меняют свойства нейтронов и в зависимости от типа ядра период его в - распада может быть самым разным: от сотых долей секунды до нескольких миллиардов лет.
Интересно и непонятно, почему нейтрон обнаружили так поздно, Резерфорд и Харкинс предсказали его еще в 1920 г, для его открытия не нужно было ничего, кроме привычных а - частиц, и, тем не менее, лишь десять лет спустя ученые подступились к этому очередному феномену микромира.
В 1930 г. ученик Макса Планка Вальтер Боте совместно с Г. Беккером, продолжая традицию исследований ядерных реакций, начатую в 1919 г. Резерфордом, облучали уже традиционными для лабораторий, а - частицами бериллий.
Они обратили внимание на то, что материнские ядра исторгали из себя не протоны, а какое-то другое излучение, которое проходило даже через слой свинца толщиной в 2,5, см. Это было удивительным, учитывая размеры ядер свинца и их достаточно большой электрический заряд.
Было высказано предположение, что это жесткое у - излучение возбужденного ядра бериллия, которое никак не реагирует на электромагнитные внешние воздействия.
Дальнейшие исследования, однако, показали, что с точки зрения проникающей способности, нейтроны ведут себя совершенно иначе, чем любой другой вид излучения, будь то электромагнитная волна или заряженные частицы.
Нейтроны вообще «не замечают» внешних атомных электронов, а сталкиваются только с ядром. При этом при взаимодействии с ядрами в одних случаях нейтрон просто сталкивается с ядром, а в других случаях ядро захватывает нейтрон, вследствие чего оно взрывается и испускает другие частицы.
В этом месте нужно немного подробнее. Два года спустя после открытия нейтрона супруги Жолио-Кюри продолжили исследования природы нового излучения. Направив это «нечто» на мишень из парафина, они обнаружили протоны, которые с большой энергией покидали парафиновую мишень.
Вывод напрашивался сам собою: открыт «новый способ взаимодействия излучения с материей», посредством которого «у-кванты» Боте и Беккера весьма эффективно выбивают не только протоны из атомов водорода, входящих в состав парафина, но даже ядра углерода.
Джеймс Чедвик, любимый ученик Резерфорда, который вместе с учителем подсчитывал сцинтилляции при рассеянии а - частиц атомами золота, во время длинных бесед в полной темноте унаследовал идею возможного содержания в ядрах атомов некой нейтральной по электрическим свойствам частицы.
Впоследствии Чедвик даже предпринял несколько попыток обнаружить нейтрон. Они оказались не совсем удачными. Но идея не умерла, и узнав об опытах Жолио-Кюри, он уже через месяц понял, что Боте и Беккер наблюдали ядерную реакцию превращения бериллия в углерод с испусканием нейтрона:
В опытах же супругов Жолио- Кюри наблюдалось рассеяние протонов при столкновении с нейтронами, подобное классической схеме соударения бильярдных шаров.
Рис. 4.10. Схема открытия нейтрона
В свободном виде нейтроны могут существовать относительно кратковременно, всё зависит от свойств среды, ядра которой поглощают нейтроны. В плотных средах время жизни нейтронов измеряется микросекундами. Кроме того, свободный нейтрон обладает Р - радиоактивностью, т.е. неминуемо распадается на протон, электрон и антинейтрино. В этой связи нейтроны в природе и лабораториях возникают только при ядерных превращениях.
К настоящему времени установлено, что отсутствие заряда у нейтрона не есть факт абсолютный, хотя с позиций закона сохранения электрического заряда всё чисто. Наиболее точный метод измерения заряда заключается в регистрации отклонения нейтронов поперечным электрическим полем. Эти измерения показали, что заряд нейтрона составляет 6-10-12 элементарного заряда (1,6-10 19 Кл), т.е. заряда электрона.
Путём косвенных опытов и статистических оценок определили, что нейтрону можно сопоставить область пространства с характерным размером 8-10 - 15м.
В соответствии с одной из современных гипотез, нейтрон является сложной частицей, состоящей из положительно заряженной середины и отрицательной оболочки, причём, эти составные элементы имеют энергию связи такой величины, что её невозможно разрушить современными средствами.
В результате взаимодействия ядер с нейтронами они могут выбрасывать а - частицы. С помощью а - частиц можно вышибать из ядер и протоны. До 1932 г. эти факты в биографии ядра оставались без теоретического объяснения. Считалось, что в состав ядра входят всего две элементарные частицы: электрон и ядро водородного атома - протон. Значения атомных весов в виде целых чисел, говорило о том, что ядра атомов, построены из аналогичных частиц.
Например, атом гелия He2 тяжелее атома водорода в четыре раза. Ну почему бы, в этой связи, не считать, что атом гелия состоит из четырех водородных атомов. Вполне логично. Полагалось, что четыре протона и два электрона входят в состав ядра, остальные два электрона обеспечивают значение веса в виде целого числа.
С другой стороны, Р - распад наводил на мысль, что в составе ядра есть электроны, откуда-то же берётся их поток? Однако это заманчивое предположение было быстро развенчано, т.к. выяснилось, что такое представление о строении ядра приводило к ряду серьёзных противоречий с достоверными данными экспериментов.
Тонкое расщепление спектральных линий предполагало взаимодействие между магнитным моментом ядра и орбитальным током, генерируемым орбитальным движением электронов. Если это так, то по сверхтонкому расщеплению линий, можно определить магнитный момент ядер.
Выяснилось, он примерно совпадает с магнитным моментом протона. Измерения магнитных моментов ядер методом парамагнитного резонанса показало, что магнитный момент протона в 657,5 раза больше.
Это обстоятельство объяснялось возможностью компенсации моментов электронов. Для ядер, которые, содержат четное число электронов, спины электронов внутри ядер попарно компенсируются. Например, у гелия He4!, у углерода C6°, электронов соответственно 2 и 6.
Предполагалось, что магнитные моменты половины электронов, входящих в состав ядер направлены в противоположную сторону остальным. Всё бы хорошо, но для ядра азота такую компенсацию получить нельзя: для семи электронов один спин, по крайней мере, остается сам по себе. А между тем магнитный момент ядра азота, как и у других ядер, много меньше магнитного момента электрона и не отличается по порядку величины от магнитных моментов других ядер.
Противоречия новоявленной теории были разрешены сразу после открытия нейтрона. После появления первых сведений о нейтроне, Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон высказали гипотезу о том, что ядра атомов состоят только из протонов и нейтронов. Такая структура ядра объясняла малый магнитный момент ядер, а также вывод о четном числе элементарных частиц в ядре азота: согласно этой гипотезе, ядра азота N1/ содержат 7 протонов и 7 нейтронов.
Последующие измерения подтвердили, что спин нейтрона, так же как у протона и электрона, равен s = 1/2. Несмотря на отсутствие электрического заряда, у нейтрона оказался магнитный момент, по порядку величины близкий к магнитному моменту протона.
При таком подходе, достаточно простой физический смысл приобретает массовое число А, оно дает число нуклонов - частиц, входящих в состав ядра. Число нейтронов определяется так:
Таким образом, изотопы отличаются числом нейтронов в ядре. Водород имеет три изотопа с массовыми числами А, равными соответственно 1, 2 и 3. Ядро легкого изотопа H11 состоит из одного протона. Этот изотоп называется протием. Тяжелый водород Н°, иначе называемый дейтерием и обозначается символом D. Ядро дейтерия имеет заряд Z=1 и массовое число Z = 2.
Для упрощения процесса записи ядерных превращений принято обозначать ядра элементов химическими символами соответствующих им изотопов (верхний индекс - массовое число, нижний - электрический заряд в единицах заряда электрона.).
Третий изотоп водорода H13 называется тритием (Т) и имеет заряд Z = 1 и массовое число Z = 3. Тритий в - радиоактивен, с периодом полураспада 12,5 года.
К настоящему времени получено более 270 искусственных нуклонов, это, как правило, за урановые элементы.
Сравнение размеров ядра и его составных частей позволяет предположить, что протоны и нейтроны упакованы плотно, а значения атомных весов в виде целых чисел говорит о возможности считать массу ядра, в первом приближении, пропорциональной числу нуклонов:
где ш = 1,67-10 -27 кг - средняя масса одного нуклона.
О размерах ядра говорить, как это принято для макрообъектов, не представляется возможным, потому что все методы и средства оценки размеров, во-первых, косвенные, во-вторых, имеют вероятностный характер. Фиксируется либо наличие ядерного вещества по силовым проявлениям, либо реакция этого вещества на электромагнитные поля. Оба этих способа, кстати сказать, дают существенно разные результаты. В первом приближении ядро можно считать сферическим
Для ядер тяжёлых элементов в ходе экспериментов установлено: r0 = (1,2 - 1,5) 10 - 15м, это принято за особую ядерную единицу - Ферми. Из следует, что объём ядра пропорционален числу нуклонов, значит и плотность ядерного вещества для ядер различных элементов одинакова и равна
ря * 1,45 • 1014 кг/м3 .
Один единственный кубический сантиметр ядерного вещества имел бы массу М * 145 000 000 000 кг. Не хило, да?
Одной из главных заморочек ядерной физики является вопрос о силах, удерживающих нуклоны в ядре в непосредственной близости, как одно целое. Как может показаться сначала не просвещённому - ядро вообще должно было бы разлететься.
В натуре, оно состоит только из одноименно заряженных и нейтральных частиц. Даже школьники, с ну очень средним образованием знают, что, в соответствии с законом Кулона, одноимённые заряды не имеют обыкновения находиться в равновесии. А ядра в определённом смысле представляются образованьями стабильными.
Снова возникает явление, которое не укладывается в рамки известных законов. Поскольку нейтроны и протоны стабильно соседствуют, то должны быть причины побуждающие их к такому состоянию. Предположим, что внутри ядра действует особый класс сил, так называемые ядерные силы.
Ядерные силы. Этот гипотетический тип сил отличается от электростатических и всех других известных сил. Важнейшей их особенностью является короткий радиус действия. Напомним, что электростатическое и гравитационное взаимодействие, убывает по мере возрастания расстояния, обратно пропорционально квадрату расстояния
F 1 Ы • Ы F Gm1 • Ш2
Fk¦ 4nss—Т2-, FH-G_r2_.
Ч-Д.amp;amp;0 *1,2 1,2
Радиус действия этих сил всегда очень велик, по ядерным масштабам, и они подчиняются принципу суперпозиции. Таким образом, сообщив электрический заряд большим изолированным телам, мы можем в миллионы раз усилить действие отдельного электрона. Точно так же лишь в результате аддитивного сложения взаимодействий всех атомов земного шара «создается» сила тяжести, которую мы ощущаем в нашей повседневной жизни.
Ничего подобного не наблюдается у ядерных сил, радиус их действия не превышает радиуса ядра. В пределах этой области ядерное взаимодействие можно в грубом приближении сравнить с притяжением двух разноименных электрических зарядов величиной q =
л , ,, ,. ,Зе. Для точечного источника сильного взаимодейст-
Рис. 4.11. Хидеки Юкава ,
вия потенциал определится соотношением профессора
где р = 1/XC - величина, обратная длине волны Комптона. Энергия взаимодействия двух нуклонов, таким образом, в зависимости от расстояния, примет вид
Зависимость U = f(r) для двух нуклонов приведена на рис. 4.12. Ядерные силы, в отличие от кулоновских, (красная кривая) убывают не обратно пропорционально квадрату расстояния, а значительно быстрее, по закону экспоненты; они начинают действовать лишь тогда, когда частицы почти соприкасаются.