Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Первым превращением является переход ²³⁸U в ²³⁴Th, происходящий благодаря, выбрасыванию альфа-частиц. За ним следуют два бета-превращения, переводящие торий в протактиний, а протактиний опять в уран, но уже в изотоп с массовым числом 234. Далее следуют пять последовательных альфа-превращений, спускающих нас до неустойчивого изотопа свинца с массовым числом 214. Еще два «зигзага», и процесс распада заканчивается: изотоп свинца с массовым числом 206 является устойчивым.

Разрушение каждого отдельного атома является случайным. Есть атомы «счастливчики», которые обладают большим долголетием, а есть такие, которые живут мгновения.

Но в любом случав нельзя предугадать, когда произойдет превращение с данным атомом. Ведь мы не можем назвать день кончины нашего домашнего кота. Но у каждого вида животных существует свой средний срок жизни. Так же у каждого сорта атомов имеется весьма строгое среднее время существования. Впрочем, поведение атомов существенно отличается от жизни животных. Жизнь неустойчивых атомов, в отличие от среднего срока жизни живых существ, не зависит ни от каких внешних условий. Ничто не способно изменить среднее время распада. За каждую единицу времени распадается всегда одна и та же доля атомов:

ΔN/N = λ∙t

Эта формула годится лишь для случая? когда дробь ΔN/N невелика.

Величина λ является константой для каждого радиоактивного перехода. Вместо того, чтобы пользоваться этой константой, нагляднее характеризовать скорость процесса «временем полураспада», т. е. временем, которое требуется, чтобы половина какого-то количества радиоактивного вещества претерпела превращение. Это время для разных радиоактивных элементов может колебаться в огромных пределах. Так, период полураспада родоначальника рассмотренного нами семейства ²³⁸U составляет 4,5 млрд. лет. А вот половина атомов изотопа свинца с массовым числом 214 распадается за одну миллионную долю секунды.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА

Радиоактивное превращение вполне аналогично химической реакции распада. Было химическое вещество, а затем под действием тепла или света распалось на два других. Скажем, углекислая кислота распалась на воду и углекислый газ. Так же точно в картине распада, который мы только что рассмотрели, ядро тория с массовым числом 230 распадается на ядро радия и ядро гелия.

Если возможен ядерный распад, то, наверное, должны существовать и ядерные реакции, происходящие по принципу

A + B —> С + D

Для того, чтобы произошла подобная химическая реакция, надо столкнуть молекулы веществ А и В. Для того, чтобы осуществить ядерную реакцию, надо столкнуть два атомных ядра.

Такие опыты и начали производиться с 1919 г. Резерфордом. До появления на сцену ускорителей частиц ядерные реакции осуществлялись путем бомбардировки какого-либо вещества альфа-частицами. После того как удалось получить мощные потоки протонов и других ядер, были открыты новые ядерные реакции. Стало ясным, что в принципе можно превратить изотоп любого химического элемента в другой. Можно получить и золото из других веществ. Мечта алхимиков стала явью.

Первой обнаруженной ядерной реакцией типа A + B —> С + D было превращение азота и гелия в кислород и водород. Вот как записывается подобная реакция:

¹⁴₇N + ⁴₂He — > ¹⁷₈O + ¹₁H

Обратите внимание на то, что неизменными сохраняются суммы верхних цифр и суммы нижних цифр. Нижние цифры указывают заряд ядра, а верхние — массу, округленную до целого числа, т. е. массовые числа. Таким образом, строго действует закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения массы осуществляется, как мы увидим ниже, лишь приближенно. Ну, а сумма массовых чисел сохраняется столь же строго, как и заряд.

Еще в 1920 г. Резерфорд высказал предположение, что должна существовать частица, лишенная электрического заряда и близкая по массе к протону. Резерфорду казалось, что иначе трудно понять, как положительно заряженная альфа-частица проникает в положительно заряженное ядро: ведь одноименно заряженные частицы отталкиваются.

ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД (1871–1937) — замечательный английский физик, великий экспериментатор. Тонкими и оригинальными опытами показал, в чем заключается радиоактивный распад. Своими классическими опытами по рассеянию веществом потока альфа-частиц обосновал современную теорию строения атома как системы, состоящей из ядра и движущихся около него электронов. Продолжая свои опыты по бомбардировке ядрами различных мишеней, первый осуществил искусственное превращение элементов.