Ядерные реакторы

Исследования показали, что для того, чтобы атомные ядра были более прочными, протоны и нейтроны должны находиться в ядре в определенном соотношении. Это соотношение меняется для различных ядер. Так, легкие ядра более прочны, если они состоят из равного количества протонов и нейтронов. Средние и тяжелые ядра становятся прочнее, если в них несколько преобладает число нейтронов.

В тяжелых ядрах электростатические силы, расталкивающие протоны, настолько велики, что эти ядра становятся неустойчивыми даже при большом избытке нейтронов. Поэтому находящиеся в конце периодической системы элементы являются радиоактивными и их ядра могут стать более прочными, только излучая различные частицы.

Если в ядре слишком много нейтронов, оно неустойчиво и становится более прочным, выбрасывая в радиоактивном распаде электрон и нейтрино. При этом один из нейтронов превращается в протон. Наоборот, если в ядре находится избыток протонов, то наиболее вероятен позитронный радиоактивный распад.

Переход ядра в устойчивое состояние происходит не обязательно при одном распаде. Очень часто только в результате целого ряда радиоактивных превращений с вылетом альфа- и бета-частиц, сопровождаемых гамма-излучением, радиоактивное ядро переходит в ядро устойчивого элемента. Так, ядро урана²³⁸, претерпевая ряд превращений, постепенно переходит в ядро свинца²⁰⁶.

Схему этого ряда превращений можно проследить по рис. 8. Мы видим, как ядро урана²³⁸ выбрасывает альфа-частицу и превращается в ядро тория

²³⁴. Но это ядро также неустойчиво. Оно перегружено нейтронами. Происходит превращение одного из нейтронов в протон с вылетом электрона и нейтрино. Получается ядро протактиния²³⁴, которое тем же способом переходит в ядро урана²³⁴. Вылет электрона недостаточно «охлаждает» ядро, и поэтому этот распад сопровождается гамма-излучением.

Рис. 8. Радиоактивный распад ядра урана²³⁸. Ядро урана²³⁸

, претерпевая ряд радиоактивных превращений, переходит в устойчивое ядро свинца²⁰⁶

Далее следует длинный ряд преобразований с испусканием альфа-частиц, а иногда и гамма-лучей. В результате этих превращений образуется изотоп свинца — свинец²¹⁴. Но этот свинец неустойчив. Он также перегружен нейтронами, его ядро, испуская электрон, образует ядро висмута²¹⁴, которое, теряя альфа-частицу, переходит в ядро таллия²¹⁰. В этом неустойчивом ядре все еще есть излишки нейтронов. Лишние нейтроны превращаются в протоны, и ядро, три раза испуская электрон, переходит в ядро полония²¹⁰, из которого вылетает альфа-частица, и, наконец, образуется вполне устойчивое ядро свинца

²⁰⁶.

Интересно, что получающееся при промежуточных превращениях ядро висмута²¹⁰ может распадаться двумя способами: излучая электрон или альфа-частицу. В обоих случаях конечным ядром является ядро свинца²⁰⁶.

Не следует думать, что все эти процессы протекают очень быстро. В среднем проходит много миллиардов лет, прежде чем из ядра урана²³⁸ получится ядро свинца²⁰⁶. Отдельные превращения происходят очень быстро, другие требуют тысяч, миллионов и даже миллиардов лет. Например, среднее время «жизни» ядер урана²³⁴ около 380 тысяч лет, тория²³⁴

— 35 дней, а свинца²¹⁴ — 38 минут.

Было бы неправильным сравнивать среднее время «жизни» радиоактивного ядра со средним временем жизни, например, человека. Вполне закономерно то, что человек умирает не в юношеском, а в престарелом возрасте, так как изношенный организм старого человека сильнее подвержен различного рода заболеваниям.

Но нельзя говорить об «износе» радиоактивных ядер. Эти ядра «умирают» независимо от внешних обстоятельств. Законы радиоактивных превращений таковы, что с одинаковой вероятностью распадаются как старые, давно образовавшиеся ядра, так и молодые, только что получившиеся из другого радиоактивного ядра.

Новые элементарные частицы. Для того чтобы объяснить плотность и огромную прочность ядра, в 1935 году японский физик Юкава предположил, что ядерные силы вызываются особыми частицами, в 200–300 раз тяжелее электрона. Один из нуклонов испускает эту частицу, другой ее поглощает. Таким образом, частица связана с каждым из нуклонов и обусловливает ядерные силы между ними. Эта на первый взгляд странная теория Юкавы, как мы знаем, позволила объяснить величину ядерных сил и обстоятельство, благодаря которому эти силы действуют на весьма малом расстоянии.

Надо было найти такую частицу. И вот в 1937 году появилось сообщение, что в космических лучах были действительно найдены частицы, обладающие подходящей массой. Но ликование физиков было преждевременным. Вновь открытая частица — мю-мезон очень слабо взаимодействовала с ядрами и поэтому, естественно, не могла играть роли связующего звена между протоном и нейтроном.