Физика атома и атомного ядра. Мякишев
реклама
Введение квантовых представлений требовало радикаль­ ного пересмотра механики и электродинамики, что и было осуществлено в 20-х гг. ХХ столетия. Была создана квантовая механика и квантовая электродинамика. На основе квантовой теории излучения были построены 5. квантовые генераторы радиоволн и квантовые генерато ­ ры видимого света - лазеры. Лазеры создают когерент­ ное излучение очень большой мощности. Излучение лазеров очень широко применяется в раз­ личных областях науки и техники. Глава 13. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА Выражения атомное ядро и элементарные час ­ тицы уже неоднократно упоминались. Вы знае­ те, что атом состоит из ядра и электронов. Само атомное ядро состоит из элементарных частиц, нейтронов и протонов. Раздел физики, в котором исследуется строение и превращение атомных ядер, называется ядерной физикой. Первоначально разделения на ядерную физику и физику элементарных частиц не было. С много­ образием мира столкнулис ь при элементарных изучении частиц ядерных физики про цессов . .Выделение физики элементарных частиц в сам о­ стоятельную область исследования произошло око­ ло 1950 г. Сегодня существуют два самостоятель­ ных раздела физики: содержание одного из них составляет изучение атомных ядер, другого - изучение природы, а содержание свойств и взаим­ ных превращений элементарных частиц. § 97 МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Вначале ознакомимся с устройствами, благодаря кото­ рым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Это устройства для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений ядер и элементарных частиц. Именно они дают людям необхо ­ димую информацию о микромире. Принцип действия приборов для регистрации элемен­ тарных частиц. Любое устройство, регистрирующее элемен­ тарные час тицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью с взведенным курком. Небольшое уси- 186 лие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эф­ - выстрел. это более или менее слож­ фект, не сравнимый с затраченным усилием, Регистрирующий прибор - ная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс пе­ рехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется множество различных методов регист­ рации частиц. В зависимости от целей эксперимента и условий, в ко­ торых он проводится, применяются те или иные регистри­ рующие устройства, отличающиеся друг от друга по основ­ ным характеристикам. Газоразрядный счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического подсче­ та частиц. Счетчик (рис. 13.1) состоит из стеклянной трубки, по­ крытой изнутри металлическим слоем (катод), металлической нити, идущей вдоль оси и тонкой трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счет­ чика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, а-частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свобод­ ные электроны. Электрическое поле между анодом и като­ дом (к ним подводится электроны до энергий, высокое напряжение) ускоряет при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R об­ разуется импульс напряжения, который подается в регист­ рирующее устройство. Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо по­ гасить. Это происходит авто- матически. Так как в момент появления дение импульса напряжения зочном резисторе напряжение R между тока на нагру­ велико, то анодом катодом резко уменьшается настолько, и - Анод К регистри­ Счетчик Гейгера применя­ ции Катод что разряд прекра­ щается. ется Стеклянная трубка па­ в основном для регистра­ электронов и рующему устройству у-квантов (фотонов большой энергии). Рнс. 13.1 187 В настоящее время созданы счетчики, работающие на иных принципах. Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистри­ ровать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, создан­ ной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотогра­ фировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем. Принцип действия камеры Вильсона основан на кон­ денсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Камера Вильсона представляет собой герметически за­ крытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близ­ кими к насыщению (рис. 13.2). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происхо­ дит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы трек (рис. - 13.3). За­ тем камера возвращается в исходное состояние, и ионы уда­ ляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десят­ ков минут. Стеклянная Информация, которую дают тре­ пластина ки в камере Вильсона, значительно богаче той, счетчики. определить числу трека которую По длине энергию капелек - на могут дать трека можно частицы, единицу а по длины ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энер­ гия. А чем больше капелек воды об­ Поршень Вентиль разуется на единицу длины тем меньше ее скорость. трека, Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Советские физики П. Л. Капица и Рнс. 288 13.2 Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в одно- Рнс. Рнс. 13.3 13.4 родное магнитное поле. Магнитное поле действует на дви­ жущуюся заряженную частицу с определенной силой (си­ лой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее мас­ са. По кривизне трека можно определить отношение заря­ да частицы к ее массе. Если известна одна из этих вели­ чин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека можно найти массу частицы. Пузырьковая камера. В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнару­ жения треков частиц перегретую жидкость. В такой жид­ кости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми. В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, не­ смотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При рез­ ком понижении давления жидкость оказывается перегре­ той, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. тающие именно в это время, Заряженные частицы, состоящих из пузырьков пара (рис. кости используются проле­ вызывают появление треков, главным 13.4). образом В качестве жид­ жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой каме­ ры невелика - около 0,1 с. Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Виль­ сона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно 10-Мякишев , 11 К.11. 189 короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последователь­ ных превращений частицы и вызываемые ею реакции. Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свой­ ствах частиц. Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром. Метод толстослойных фотоэмульсий. Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми каме­ рами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизи­ рующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Бекке­ релю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод фотоэмуль­ сии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, Г. Б. Ждановым и др. Фотоэмульсия содержит большое количество микроско­ пических женная кристалликов частица, бромида серебра. пронизывая кристаллик, Быстрая заря­ отрывает элек­ троны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристал­ ликов образует в этих кристалликах восстанавливается ребро и (рис. цепочка По 13.5). энергию скрытое и зерен длине изображение. серебра и При образует толщине проявлении металлическое се­ трека трек можно частицы оценить массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получа­ ются очень короткими (порядка 10-3 см для а-частиц, ис­ пускаемых радиоактивными элементами), но при фотогра­ фировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсий в том, что время экспози­ ции может быть сколь угодно большим. Это позволяет ре­ гистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличи­ вается число наблюдаемых интересных реакций между частицами Рнс. 190 13.S и ядрами. Мы рассказали далеко не о всех приборах, регистрирую­ щих элементарные частицы. Современные приборы для об­ наружения редко встречающихся и короткоживущих час­ тиц очень сложны. В их создании принимают участие сотни людей. 1. Можно лн с помощью намеры Вильсона реrнстрнровать незаря­ женные частицы! Канне преимущества нмеет пузырьновая намера по сравнению 1. с намерой Вильсона! ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ § 98 XIX Нестабильность атомов была открыта в конце в. Спустя полвека построили первый ядерный реактор. Открытие - радиоактивпостu явления, щего сложный состав атомного ядра, доказываю­ произошло благо­ - даря счастливой случайности. Рентгеновские лучи, как вы помните, впервые быстрых были электронов со получены при стеклянной столкновениях стенкой разрядной трубки. Одновременно наблюдалось свечение стенок труб­ ки. Бек к ере ль ние - свечение долгое время исследовал подобное явле­ веществ, К таким веществам облученных солнечным светом. относятся, в частности, соли урана, с которыми экспериментировал ученый. И вот у него возник вопрос: не появляются ли после об­ лучения солей урана наряду с видимым светом и рентге­ новские лучи? Беккерель завернул фотопластинку в плот­ ную черную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил явления на яркий фотопластинка солнечный почернела на свет. тех После про­ участках, где лежала соль. Следовательно, уран создавал какое-то излу­ чени е, которое, подобно рентгеновскому, пронизывает не­ прозрачные тела и действует на фотопластинку. Беккерель думал, что это излучение возникает под влиянием солнеч­ ных лучей. Но однажды, опыт ему не в феврале удалось из-за 1896 г., облачной провести очередной погоды. Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на нее сверху мед­ ный крест, покрытый солью урана. Проявив случай фотопластинку два дня спустя, на всякий он обнаружил на ней почернение в форме отчетливой тени креста. Это озна­ чало, что внешпих лись 10* соли урана влияний, интенсивные са Jн опрои з вольно, создают какое-то исследования. без каких-ли бо излучение. Конечно, не будь Нача­ этой 191 Скnодовская-Кюри Мария ( 1867-1934) - физик и химик. Родилась в Польше, в семье учите­ ля, работала во Франции. Первая женщина-про­ фессор Парижского университета. Совместно с мужем П. Кюри открыла новые радиоактивные элементы полоний и радий и исследовала их свой­ ства. Разработала классический метод обработки и анализа урановых руд, на протяжении ряда лет исследовала свойства радиоактивных излучений, их действие на живые клетки и т. д. Дважды полу­ чала Нобелевскую премию по физике и химии. счастливой случайности, радиоактивные явления все рав­ но были бы открыты, но, возможно, значительно позже. Вскоре Беккерель обнаружил, что излучение урановых солей ионизирует воздух, подобно рентгеновским лучам, и разряжает электроскоп. Испробовав различные химиче­ ские соединения урана, он установил очень важный факт: интенсивность ством урана в излучения препарате определяется и совершенно не только количе­ зависит от того, в какие соединения он входит. Следовательно, это свойство присуще его не соединениям, а химическому элементу урану, атомам. Естественно было попытаться обнаружить, не обладают ли способностью к самопроизвольному излучению другие химические элементы, С к лодов с к ая -К кроме крыли излучение тория. в поисках новых урана. В 1898 г. Мария ю р и во Франции и другие ученые от­ В дальнейшем главные усилия элементов были предприняты Марией Склодовской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри. Системати­ ческое исследование руд, содержащих уран и торий, позво­ лило им выделить новый, неизвестный ранее химический элемент - полоний, названный так в честь родины Марии Склодовской-Кюри Польши. Наконец, был открыт еще один элемент, дающий очень интенсивное излучение. стым). Само же Его назвали радием (т. е. лучи­ явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью. Радий 226, имеет относительную атомную массу, равную и занимает в таблице Д. И. Менделеева клетку под но­ мером 88. До открытия Кюри эта клетка пустовала. По своим химическим свойствам радий принадлежит к щелоч­ но-земельным элементам. Впоследствии было установлено, что элементы с порядковым номером более активными. 191 83 все химические являются радио­ Радиоактивностью называется способность нестабиль­ ных ядер цесс превращения ных превращаться в другие сопровождается ядра, при этом испусканием про­ различ­ частиц. В конце мических XIX в. была открыта радиоактивность. Ряд хи­ элементов самопроизвольно создает различные излучения. АЛЬФА-, БЕТА- И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ § 99 После открытия радиоактивных элементов началось ис­ следование физической природы их излучения. Кроме Бек­ кереля и супругов Кюри, этим занялся Резерфорд. Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На вы­ ходившее из канала излучение действовало сильное магнит­ ное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу (рис. 13.6). Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно точно напро­ тив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в про­ тивоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных зна­ ков. При этом отрицательный компонент излучения откло­ нялся магнитным полем гораз­ до сильнее, чем положитель­ ный. Третья составляющая со­ всем не отклонялась магнитным полем. Положительно заряжен­ ный компонент получил назва­ ние альфа-лучей, но заряженный - отрицатель­ бета-лучей и нейтральный гамма-лучей (а-лучи, ~-лучи, у-лучи). Эти очень три сильно вида излучения различаются по проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей про- Рнс.13.6 193 никающей способностью обладают а-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бу­ маги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответ­ ствующего а-излучению. Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество ~-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их за­ держивает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают у-лучи. Интенсивность поглощения у-лучей усиливается с уве­ личением атомного номера вещества-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не является для них непре­ одолимой преградой. При прохождении у-лучей через та­ кой слой свинца их интенсивность ослабевает лишь вдвое. Физическая природа а-,~- и у-лучей, очевидно, различна. Гамма-лучи. По своим свойствам у-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но способность гораздо больше, Это наводило на мысль, только их проникающая чем у рентгеновских лучей. что у-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали по­ сле того, как была обнаружена дифракция у-лучей на кри­ сталлах и измерена их длина волны. Она оказалась очень малой - от 10-в до 10- 11 см. На шкале электромагнитных волн у-лучи непосредст­ венно следуют за рентгеновскими. Скорость распростране­ ния у у·лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, - около 300 ООО км / с. · Бета-лучи. С самого начала а- и ~-лучи рассматрива­ лись как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с ~-лучами, так как они сильнее от­ клоняются как в магнитном, так и в электрическом поле. Основная задача экспериментаторов состояла в опреде­ лении заряда и массы частиц. При исследовании отклоне­ ния ~-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости ~-частиц, ис­ пущенных каким-либо радиоактивным элементом, неоди­ наковы. Встречаются частицы с самыми различными ско­ ростями. Это и приводит к расширению пучка ~-частиц в магнитном поле (см. рис. 13.6). Альфа-частицы. Труднее было выяснить природу а-час­ тиц, так как они слабее отклоняются магнитным и элек­ трическим полями. Окончательно эту задачу удалось ре­ шить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе т по отклонению в магнитном поле. Оно оказа­ лось примерно в 194 2 раза меньше, чем у протона - ядра ато- m ма водорода. Заряд протона ра­ вен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы 1 • Следовательно, у а-час­ тицы на один элементарный за­ ряд приходится двум атомным масса, тем вестными. не менее, Следовало 1 ------. 1 массы. 1 1 1 1 Но заряд а-частицы и ее масса оставались, 1 1 равная единицам 1 1 ...--- - - - . 1 ' - - - - - - - '1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 неиз­ измерить либо заряд, либо массу а-части­ цы. С появлением счетчика Гей­ гера стало точнее возможным измерить очень тонкое могут проникать проще заряд. окошко и Сквозь а-частицы внутрь счетчи­ ка и регистрироваться им. Резерфорд поместил на пути а-частиц счетчик Гейгера, кото­ рый измерял число частиц, испускавшихся радиоактивным Рис. 13.7 пре- паратом за определенное время. Затем он поставил на место счетчика металлический цилиндр, соединенный с чувстви­ тельным электрометром (рис. форд измерял заряд 13. 7). а-частиц, Электрометром Резер ­ испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время (радиоактивность мно­ гих веществ почти не меняется со временем). Зная суммар­ ный заряд а-частиц и их число, Резерфорд определил отно­ шение этих величин, т. е. заряд одной а-частицы. Этот заряд оказался равным двум элементарным. Таким образом, он установил, что у а-частицы на каж­ дый из двух элементарных зарядов приходится две атом­ ные единицы массы. Следовательно, на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Из этого следует, что а-частица - это ядро атома гелия. Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактив­ ном а-распаде образуется именно гелий. Собирая а-частицы внутри специального резервуара на протяжении несколь­ ких дней, он с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая а-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия). 1 Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы атома углерода; 1 а. е . м."" 1,66057 · 10- 27 кг. 295 При радиоактивном распаде возникают а-лучи (ядра атома гелия), ~-лучи (электроны) и у-лучи (коротковолно­ вое электромагнитное излучение). Почему выяснить природу а-лучей оказалось гораздо сложнее, чем в случае Р-лучей! § 100 РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ Что же происходит с веществом при радиоактивном из­ лучении? Ответить на этот вопрос в начале ХХ в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радио­ активности обнаружилось много странного и необычного. Во-первых, удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления. Химические реак­ ции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения. Во-вторых, очень скоро после открытия радиоактивно­ сти выяснилось, что радиоактивность сопровождается вы­ делением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались а-,~- и у-лучи, 11 за счет их энергии калориметр нагревался. Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно рав­ ную 582 Дж. И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет! Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предпо­ ложение, что превращения претерпевают сами атомы. Сей­ час эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале ХХ в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные дока­ зательства существования атомов. Идея Демокрита об ато­ мистическом строении вещества наконец восторжествова - ла. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов ставится под сомнение. Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности 196 в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся толь­ ко на самых первых опытах, начатых Резерфордом и про­ долженных им совместно с английским химиком Ф. Содди. Резерфорд обнаружил, что активность тория, опреде­ ляемая как число а-частиц, испускаемых в единицу време­ ни, остается неизменной в закрытой ампуле. Если же пре­ парат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменьшается. Ученый предпо­ ложил, что одновременно с а-частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ. Отсасывая воздух из ампулы, зерфорд выделил содержащей торий, Ре­ радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту актив­ ность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в ка­ кие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86. Превращения испытывали и другие радиоактивные эле­ менты: уран, актиний, радий . Общий вывод, который сде­ лали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Ато­ мы радиоактивного вещества подвержены спонтанным 1 видоизменениям. В каждый момент небольшая часть обще­ го числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбра­ сывается с огромной скоростью осколок атома а-части­ ца. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой про­ никающей способностью и называемых у-излучением. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью от­ личное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с ис­ пусканием характерного радиоактивного излучения 2 • Таким образом, точно установлено, что атомы некото­ рых элементов подвержены спонтанному распаду, сопрово­ ждающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях». 1 От латинского слова spontaneus - 2 В действительности могут образовываться и стабильные ядра . самопроизвольный. 297 После того как было открыто атомное ядро, сразу же стало ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь а-частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу. Итак, радиотстивность представляет собой самопро­ извольное превращение одних ядер в другие, сопровождае­ мое испусканием различных Правило смещения. частиц. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди: при а-распаде ядро теряет положитель­ ный заряд 2е и масса его убывает примерно па четыре атомпые едипицы массы. В результате элемепт смеща­ ется па две клетки к пачалу периодической системы. Символически это можно записать так: ~х - ~-=-~У+ ~Не. Здесь элемент обозначается, как и в химии, общеприня­ тыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа. Например, водород обозначается символом tH. Для а-частицы, являющейся ядром атома ге­ лия, применяется обозначение ~Не и т. д. При ~-распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличи­ вается на единицу, а масса остается почти неизменной: МХ z Му О o-z+1 +_1e+ove. Здесь -~е обозначает электрон: индекс О вверху означает, что масса еЕо очень мала по сравнению с атомной едини­ цей массы, vе - электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, унося­ щая при ~-распаде часть энергии. Образованием антиней­ трино сопровождается ~-распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают. После ~-распада элемепт смещается па одпу клетку ближе к копцу периодической системы. Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меня­ ется ничтожно мало. Согласно правилу смещения при радиоактивном распа­ де сохраняется суммарный электрический заряд и прибли­ женно сохраняется относительная атомная масса ядер. Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра мо­ гут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения. 198 При радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер. Канне нз известных вам законов сохранения выпопняются прн ра­ дноантнвном распаде! ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. § 101 ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА Радиоактивный распад подчиняется статистическому закону. Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность убывает с течением времени. Об этом говорилось в преды­ дущем параграфе. Так, активность радона убывает в 2 раза уже через 1 мин. Активность таких элементов, как уран, торий и радий, тоже убывает со временем, но гораздо мед­ леннее. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название период полураспада. Период полураспада Т это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов. Спад активности, т. е. числа распадов в секунду, в зави­ симости от времени для одного из радиоактивных препара­ тов изображен на рисунке 13.8. Период полураспада этого вещества равен 5 сут. Выведем теперь математическую форму закона радио­ активного распада. Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени чении периода (t полураспада =О) равно это число N 0. Тогда по исте- будет равно Nо 2 . Спустя еще один такой же интервал времени это число ста­ нет равным: 1 N0 2 2 t = N = По истечении времени пТ, т. е. спустя п периодов полураспада ных атомов 800 22· Т, радиоактив­ останется: N= N 1 0 - 2" 1 С,) 600 ,.Q Е< С,) ~ 400 ~ :s: Е< ~ 2001--+-..... Поскольку п= t т' о 10 20 30 t , сут Рнс. 13.В 199 то (13.1) Это и есть основной закон радиоактивного распада. По фор­ муле (13.1) можно найти число нераспавшихся ядер в лю­ бой момент времени. Период полураспада - основная величина, определяю­ щая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени «живут» ядра, тем быст­ рее происходит распад. Для разных веществ период полу­ распада имеет сильно различающиеся значения. Так, период полураспада урана 2 g~u равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении нескольких лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды. Чтобы, пользуясь формулой (13.1), полураспада, надо знать число атомов мент времени и число определить период в начальный мо­ N0 нераспавшихся атомов N спустя определенный интервал времени t. Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона уяснить себе нелегко. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся ато­ мов (за период полураспада половина атомов). Значит, с те­ чением времени скорость распада нисколько не меняется? Радиоактивные ядра «не стареют». Так, ядра радона, возникающие при распаде радия, претерпевают радиоак­ тивный распад как сразу же после своего образования, так и спустя 10 мин после этого. Распад любого атомного ядра - это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный слу­ чай» в его жизни. Для радиоактивных ядер не существует понятия возраста. Можно определить лишь их среднее вре­ мя жизни "t. Время существования отдельных ядер может варьиро­ ваться от долей секунды до миллиардов лет. Атом урана, на­ пример, может спокойно пролежать в земле миллиарды лет и внезапно взорваться, тогда как его соседи благополучно продолжают оставаться в прежнем состоянии. Среднее вре­ мя жизни жизни "t - это просто среднее арифметическое времени достаточно большого количества атомов данного вида. Оно прямо пропорционально периоду полураспада. Предсказать, когда произойдет распад ядра данного атома, невозможно. Смысл имеют только утверждения о поведе­ нии в среднем большой совокупности атомов. Закон радио­ активного распада определяет среднее число ядер атомов, 300 распадающихся за определенный интервал времени. Но все­ гда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и, чем меньше количество радиоактивных ядер в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является cmamucmuчecl(,UM законом. Говорить об определенном законе радиоактивного распа­ да для малого числа ядер атомов не имеет смысла. Этот за­ кон справедлив в основном для большого количества частиц. Счетчик регистрирует ~-част1щь1 р11дио11ктивного npen11p11тa очень мапон интенсивности. Происходят nи срабатывания счетчика через одинаковые интерваnы времени! изотопы § 102 Изучение явления радиоактивности привело к важному открытию: была выяснена природа атомных ядер. В резу ль тате наблюдения огромного числа радиоактив­ ных превращений постепенно обнаружилось, что сущест­ вуют вещества, тождественные по своим химическим свой­ ствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. удавалось способов. распадающиеся по-разному). Их никак не разделить На этом ни одним из известных основании Содди предположение о возможности в 1911 химических г. высказал существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающих­ ся, в частности, своей радиоактивностью. Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической сис­ темы Д. И. Менделеева. Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими одинаковые места). Предположение Содди получило блестящее подтвержде­ ние и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Том­ сон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях. Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов. Большая часть их имеет относительную массу, рав­ ную 20. Но существует незначительная часть атомов с отно­ сительной атомной массой 22. В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2. Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой. Оба вида атомов неона, естественно, занимают одно и то же место в таблице Д. И. Менделеева и, следовательно, являются изотопами. Таким образом, изото­ пы могут различаться не только своими радиоактивными свойствами, но и массой. Именно поэтому у изотопов заря- 301 ды атомных ядер одинаковы, а значит, число электронов в оболочках атомов и, следовательно, химические свойства изотопов одинаковы. Но массы ядер различны. Причем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными. Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу. В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов. Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы. Изото­ пы есть у самого тяжелого из существующих в природе эле­ ментов - урана (относительные атомные массы и др.) и у самого легкого ные массы - 238, 235 водорода (относительные атом­ 1, 2, 3). Особенно интересны изотопы водорода, так как они раз­ личаются по массе в 2 и 3 раза. Изотоп с относитель­ ной атомной массой 2 называется дейтерием. Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой при­ меси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейте­ рия с кислородом образуется так называемая тяжелая во­ да. Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и замерзает при 3,8 °С. Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием. Он ~-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет. Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химиче­ ские свойства и те физические свойства, ко1орые зав1tсят от периферии электронной оболочки, например размеры ато­ ма. Масса же атома и его радиоактивные свойства не опреде­ ляются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева. Примечательно, что при точном измерении относитель­ ных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам. А вот а1·омные массы химических элемен­ тов иногда сильно отличаются от целых чисел. Так, относи­ тельная атомная масса хлора равна 35,5. Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество пред­ ставляет собой смесь изотопов в различных пропорциях. Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомно­ го ядра. Все химические элементы имеют изотопы. Заряды атом­ ных ядер изотопов одинаковы, но массы ядер различны. Существуют пн нзотоп~.1 у бария, относнтепы1ая атомная масса ко­ торого 301 137,34! ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА § 103 Важнейшим этапом в развитии физики атомного ядра было открытие нейтрона в Искусственное в истории г. 1932 превращение человечества осуществил Резерфорд в атомных искусственное 1919 ядер. Впервые превращение ядер г. Это было уже не случайное открытие. Так как ядро весьма устойчиво, и ни высокие темпера­ туры, ни давления, ни электромагнитные поля не вызыва­ ют превращения элементов и не влияют на скорость радио­ активного распада, то Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень боль­ шая энергия. Наиболее подходящими носителями большой энергии в то время были а-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде. Первым ядром, подвергшимся искусственному преобра­ зованию, было ядро атома азота 1 ~N. Бомбардируя азот а-час­ тицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд - обнаружил появление протонов ядер атома водорода. В первых опытах регистрация протонов проводилась ме­ тодом сцинтилляций 1 , и их результаты не были достаточно убедительными и надежными. Но спустя несколько лет пре­ вращение азота удалось наблюдать в камере Вильсона. При­ мерно одна а-частица на каждые ных радиоактивным 50 препаратом в ООО а-частиц, испущен­ камере, захватывается ядром азота, что и приводит к испусканию протона. При этом ядро азота превращается 1 в ядро изотопа кислорода: 1 ~N +~Не--.. ~0 + ~н. На рисунке 13.9 показана одна из фотографий этого про­ цесса. Слева видна характерная «вилка» разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тон­ кий протону. Остальные а-частицы не претерпевают столкновений с ядрами, и их треки прямолинейны. Другими исследовате­ лями были обнаружены превращения под влиянием натрия, а-частиц алюминия и ядер др., фтора, сопровож­ дающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов, находящихся в конце периодической системы, не ис­ пытьmали превращений. Очевидно, из-за 1 на Сц инт ил ля ция - пове рхн о с ть, Рис. 13.9 всп ы шка, происходящая при поп адании частиц покрыту ю с лое м специального вещества, еапр и м ер с ло­ е м сульфида ци нк а . 303 Жолио-Кюрн Фредернк ( 1900-1958) - французский ученый и прогрессивный обществен­ ный деятель. Совместно с женой Ирен открып в 1934 г. искусственную радиоактивность. Боль­ шое значение для открытия нейтронов имели ра ­ боты супругов Кюри по исследованию излучения бериллия под действием а-частиц. С сотрудниками в 1939 г . впервые определил среднее число ней­ тронов, вылетающих при делении ядра атома ура­ на, и показал принципиальную возможность цеп­ ной ядерной реакции с освобождением энергии. большого электрического (положительного) заряда а-части­ ца не могла приблизиться к ядру вплотную. Открытие нейтрона. В 1932 г. произошло важнейшее для всей ядерной физики событие: учеником Резерфорда английским физиком Д. Чедвиком был открыт нейтрон. При бомбардировке бериллия а-частицами протоны не появлялись. Но обнаружилось какое-то сильно проникаю­ щее излучение, способное преодолеть такую преграду , как свинцовая пластина толщиной 10-20 см. Было сделано предположение, что это у-лучи большой энергии. Ирен Жолио-Кюри (дочь Ма­ рии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обна­ • llt\\ а - частицы Бериллий ружили, что если на пути излуче­ ния, образующегося при бомбар­ дировке бериллия а-частицами, поставить парафиновую пласти­ ну, то ионизирующая способность этого излучения резко увеличи­ вается. Они справедливо предпо­ ложили, что излучение выбивает из парафиновой пластины про­ тоны, имеющиеся в большом ко­ личестве в таком водородсодер­ жащем веществе. С помощью ка­ меры Вильсона (схема опыта приведена на рисунке 13.10) суп­ руги Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию. По их дан­ ным, если протоны ускорялись в Камера Вильсона результате столкновения с у-квантами, Рис. 304 13.10 то энергия этих квантов должна была быть огромной около 55 МэВ. - Чедвик наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. По его оценке, энергия у-квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, которая обнаруживалась в этих наблюдени­ ях, должна была составлять 90 МэВ. Аналогичные же на­ блюдения в камере Вильсона треков ядер аргона привели к выводу, что энергия должна составлять ядра приходят в 150 этих гипотетических у-квантов МэВ. Таким образом, считая, что движение в результате столкновения с безмассовыми частицами, исследователи пришли к явно­ му противоречию: одни и те же у-кванты обладали различ­ ной энергией. Стало очевидным, что предположение об излучении бе­ риллием у-квантов, т. е. безмассовых частиц, несостоятель­ но. Из бериллия под действием а-частиц вылетают ка­ кие-то достаточно тяжелые частицы. Ведь только при столкновении с тяжелыми частицами протоны или ядра азота и аргона могли получить ту большую энергию, кото­ рая наблюдалась на опыте. Поскольку эти частицы облада­ ли большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электри­ нейтральными. Ведь заряженная частица сильно чески взаимодействует свою с веществом и поэтому быстро теряет энергию. Новая частица была названа нейтрон.ом. Существование ее предсказывал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика. По энергии и импульсу ядер, сталкивающихся с нейтронами, была определена масса этих новых частиц. Она оказалась чуть больше массы протона тронной массы вместо 1836, 1 для - 1838,6 элек­ протона. Было установле­ но в итоге, что при попадании а-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция: ~Ве +~Не - 1 ~С + tп. Здесь tп символ нейтрона; его заряд равен нулю, - а относительная Нейтрон - масса - примерно нестабильная единице. частица: свободный нейтрон за время около 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино безмассовую нейтральную частицу. Элементарная частица ческого заряда. примерно на 2,5 Масса - нейтрон нейтрона - не имеет электри­ больше массы протона электронной массы. Обьясните, почему при центральном столкновении с протоном нейтрон передает ему всю энергию, а при столкновении с ядром азота - только ее часть. 305 СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА. § 104 ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий уче­ ный В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтрон­ ную модель ядра. Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее вре­ мя является общепризнанной. Протонно-нейтронная модель ядра. Согласно протонно­ нейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов - протонов и нейтронов. Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следо­ вательно, элемента число Z протонов в ядре равно атомному номеру в периодической системе элементов Д. И. Мен­ делеева. Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре на­ зывают массовым числом и обозначают буквой А : А= Z + N. (13.2) Массы протона и нейтрона близки друг к другу, и каж­ дая из них примерно равна атомной единице массы. Мас­ са электронов в атоме много меньше массы его ядра. Поэто­ му массовое число ядра равно округленной 'до целого числа относительной атомной массе элемента. Массовые числа могут быть определены путем приближенного измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точ­ ностью. Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением Z, но с различными массовыми числами А, т. е. с различными числами нейтронов N. Ядерные силы. Так как ядра весьма устойчивы, то про­ тоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра каки­ ми-то силами, причем очень большими. Что это за силы? Сразу можно сказать, что это не гравитационные силы, ко­ торые слишком слабые. Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитным и сил ами , так как ме­ жду одноименно заряженны м и пр отонами действует элек ­ трическое отталкивание. А нейтроны не имеют электриче­ ского заряда. Значит, между ядерными частицами ронами (их называют нуклонами) лы, 306 - называемые яд ерн ыми силами. - протонами и нейт­ дейст в уют особые си­ Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы 100 раз превышают электрические (кулонов­ примерно в ские) силы. Это самые мощные силы из всех существующих в природе. Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями. Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре. Это особый тип взаимо­ действий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями. - Другая важная особенность ядерных сил их коротко­ действие. Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния. Ядерные силы за­ метно проявляются рам ядра лишь на расстояниях, равных разме­ (10- 12 -10- 13 см), что показали уже опыты Резер­ форда по рассеянию а-частиц атомными ядрами. Ядерные - силы это, так сказать, «богатырь с очень короткими ру­ ками». Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана. Значительные успехи в ее раз­ работке были достигнуты совсем недавно 10-15 - в последние лет. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти час­ тицы удерживаются ГC}ll в ядре ядерными силами. Каковы главные особенностн ядерных снп! ШI § 105 ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР Важнейшую роль во всей ядерной физике играет поня­ тие энергии связи ядра. Энергия связи позволяет объяс­ нить устойчивость ядер, выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии. Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Для того чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить довольно большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию. Под энергией связи ядра понимают ту энергию, кото­ рая необходима для полного расщепления ядра на отдель­ ные нуклоны. На основе закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи ядра равна той энер­ гии, которая выделяется при образовании ядра из отдель­ ных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика. Но как ее определить? В настоящее время рассчитать энергию связи теорети­ чески, подобно тому как это можно сделать для электронов 307 в атоме, не удается. Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией: Е = тс 2 • (13.3) Точнейшие измерения масс ядер показывают, что масса по1<оя ядра Мя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: (13.4) Существует, как говорят, дефект масс: ЛМ = Zтр + Nтп - разность масс Мя положительна. В частности, для гелия масса ядра на О, 75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соот­ ветственно лм = 0,03 для гелия в количестве вещества один моль г. Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на значение энергии связи Есв: (13.5) Но куда при этом исчезают энергия Есв и масса ЛМ? При образовании ядра из частиц последние за счет дей­ ствия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом u u у-кванты как раз обладают энергиеи Е св и массои ЛМ = -Есв2- . с Энергия связи - это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы. О том, как велика энергия связи, можно судить по тако­ му примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделе­ нием такой же энергии, что и при сгорании каменного 1,5-2 вагонов угля. Важную информацию о свойствах ядер содержит зави­ симость удельной энергии связи от массового числа А. Удельной энергией связи называют энергию св.язи, при­ ходящуюся на один нуклон ядра. Ее определяют экспери­ ментально. Из рисунка самых легких ядер, стоянна и равна 8 хорошо видно, что, не считая 13.11 удельная энергия связи примерно по­ МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии иониза­ ции, почти в миллион раз меньше этого значения. Крива.я на рисунке 13 .11 имеет слабо выраженный максимум. Макзоа Еуд• МэВ нуклон ~Не АГ О 1 26 F е о р - г- r--..... )'8 7 6 ' -- ~ 92U ~t~B ) 5 3Ll 4 3 )~Не 2 1 о "~н 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Легкие ядра Рис . А 1. Тяжелые ядра "1 13.11 симальную удельную энергию связи (8,6 МэВ / нуклон) име­ ют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы. У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается Z кулоновской энер­ за счет возрастающей с увеличением гии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро. Частицы в ядре сильно связаны друг с другом. Энергия связи частиц определяется по дефекту масс. 1. 1. § 106 Что называют энерrиеii связи ядра! Почему ядро меди более устоiiчнво, чем ядро урана! ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Атомные ядра при взаимодействиях испытывают пре­ вращения. Эти превращения сопровождаются увеличени­ ем или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц. 309 Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. С примерами ядерных реакций вы уже ознакомились в § 103. Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попада­ ют в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряжен­ ные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сбли­ жение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энер­ гия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия дейтронам, а-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей. Для осуществления ядерных реакций такой метод гораз­ до эффективнее, чем использование ядер гелия, испускае­ мых радиоактивными элементами. Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия поряд­ ка 10 5 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют а-час­ тицы (максимально вать протоны, 9 МэВ). Во-вторых, можно использо­ которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд прото­ нов вдвое меньше заряда а-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия. Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить_ литий на две а-частицы: ~Li + ~Н ~ ~Не+ ~Не. Как треков в камере Вильсона (рис. 13.12), ядра гелия разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой согласно закону сохранения импульса (импульс протона много меньше импульса возникающих а-частиц; на фотографии треки протонов не видны). Энергетический выход ядерных реакций. В описанной выше ядерной реакции кинетическая энергия двух обра­ зующихся ядер гелия оказалась больше кинетической энер­ гии вступившего в реакцию протона на 7,3 МэВ. Превра­ щение видно ядер из фотографии сопровождается изменением их внутренней энергии (энергия связи). В рас­ смотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии свя­ зи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра ли­ тия превращается в кинетиче­ скую энергию разлетающихся Рис. 310 13.12 а-частиц. Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях ядер и частиц не остается неизменной. Ведь энергия покоя ядра Мяс 2 со­ гласно формуле (13.5) непосредственно выражается через энергию связи. В соответствии с законом сохранения энер­ гии измепепие кипетической энергии в процессе ядерпой реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Согласно вышесказанному энергетический выход ядерной реакции энергии частиц, равен также участвующих в изменению кинетической реакции. Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц по­ сле реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделе­ нии энергии. В противном случае реакция идет с поглоще­ нием энергии. Именно такая реакция происходит при бомбардировке азота а-частицами (см. § 103). Часть кине­ тической энергии (примерно 1,2 · 106 эВ) переходит в про­ цессе этой реакции во внутреннюю энергию вновь образо­ вавшегося ядра. Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия может быть огромной. Но использовать ее при столкновениях уско­ ренных частиц (или ядер) с неподвижными ядрами мишени практически нельзя. Ведь большая часть ускоренных час­ тиц пролетает мимо ядер мишени, не вызывая реакцию. Ядерные реакции на нейтронах. Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследовании ядерных реак­ ций. Так как нейтроны не имеют заряда, то они беспрепят­ ственно проникают в атомные ядра и вызывают их измене­ ния. Например, наблюдается следующая реакция: ПА1 + ~п- UNa +~Не. Великий итальянский физик Энрико Ферм и первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обна­ ружил, что ядерные превращения обусловлены не только быстрыми, но и медленными нейтронами. Причем эти мед­ ленные нейтроны оказываются в большинстве случаев даже гораздо более эффективными, чем быстрые. Поэтому быст­ рые нейтроны целесообразно предварительно замедлять. Замедление нейтронов до тепловых скоростей происходит в обыкновенной воде. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится большое число ядер водорода про­ тонов, масса которых почти равна массе нейтронов. Следо­ вательно, нейтроны после соударений движутся со скоро­ стью теплового движения. При центральном соударении нейтрона с покоящимся протоном он целиком передает про­ тону свою кинетическую энергию. 311 Реакции, в которые вступают атомные ядра, очень раз­ нообразны. Нейтроны не отталкиваются ядрами и поэтому особенно эффективно вызывают превращения ядер. 1. Объясните, используя рисунок 13.11, почему при ядерной реакции : Li + : Н --+ ~Не + ~Не энергия не поглощается, а выделяется. 1. Что называют энергетическим выходом ядерной реакции! 3. В чем главное отличие ядерных реакций на нейтронах от ядер­ ных реакций, вызываемых заряженными частицами! § 107 ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА Делиться на части могут только ядра некоторых тяже­ лых элементов. нейтрона и При у-лучи. делении ядер Одновременно испускаются выделяется два-три большая энергия. Оrкрытие деления урана. Деление ядер урана было откры­ то в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Шт рас с­ м ан ом. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периоди­ ческой системы: барий, криптон и др. Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. англий­ ским физиком О. Фр и ш ем совместно с австрийским фи­ зиком Л. Мейтнер. Захват нейтрона нарушает стабильность· ядра. Ядро. воз­ буждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки. Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении. Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы по­ коя, сопровождающему деление. Возможность деления тяжелых ядер можно также объ­ яснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа А (см. рис. 13.11). Удельная энер­ гия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодиче­ ской системе последние места (А;:::, 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находя­ щихся в середине периодической системы (А ;:::, 100). Поэто­ му процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов сред­ ней части периодической системы является энергетически выгодным. Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделять­ ся при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы . 311 При связи, дый 1 делении нуклон, МэВ ядра приходящаяся и энергия на каж­ увеличивается общая энергия должна быть огромной порядка 200 на выделяющаяся - МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не свя­ занной с делением) столь боль­ ших энергий не выделяется. Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при де­ лении ядра урана 2 ~~ U, подтвер­ дили приведенные соображения Рис. 13.13 и дали значение ::::с2ОО МэВ. При- чем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков. На рисунке 13.13 вы ви­ дите треки осколков делящегося урана в камере Вильсона. Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет элек­ тростатическое, а не ядерное происхождение. Большая ки­ нетическая вследствие энергия, их которую имеют осколки, возникает кулоновского отталкивания. Механизм деления ядра. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Сог лас­ но этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку за­ ряженной жидкости (рис. 13.14, а). Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно си­ лам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разо­ рвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы при­ тяжения. Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает де­ формироваться, приобретая вытя­ нутую форму (рис. 13.14, б). Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания половинками между вытянутого ядра не начнут преобладать над сила­ ми притяжения, действующими в перешейке (рис. 13.14, в). По­ сле этого оно разрывается на две части (рис. 13.14, г). Под дейст- Рис. 13.14 313 вием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлета­ ются со скоростью, равной 1/30 скорости света. Испускание нейтронов в процессе деления. Фундамен­ тальный факт ядерного деления - испускание в процес­ се деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутри­ ядерной энергии. Понять, почему происходит испускание свободных ней­ тронов, можно исходя из следующих соображений. Извест­ но, что отношение числа нейтронов к числу протонов в ста­ бильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относитель­ ное число нейтронов оказывается большим, чем это допус­ тимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобожда­ ется в процессе деления. Их энергия имеет различные зна­ чения - от нескольких миллионов электрон-вольт до со­ всем малых, близких к нулю. Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1, 5 раза. Осколки эти сильно ра - диоактивны, так как содержат избыточное количество ней­ тронов. В результате серии последовательных ~-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы. В заключение отметим, что существует также спонтан­ ное деление ядер урана. Оно было открыто советскими фи­ зиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г. Пе­ риод полураспада для спонтанного деления равен 10 16 -лет. Это в два миллиона раз больше периода полураспада при а-распаде урана. Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии. § 108 ЦЕПНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ При делении ядра урана освобождаются два-три нейтро­ на. Это позволяет осуществлять цепную реакцию деления урана. Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может, в свою очередь, вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вы­ звать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реак­ ция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в ко- 314 торой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется энергия около 200 1 щихся в МэВ. При полном же делении всех ядер, имею­ гурана, выделяется энергия 2,3 · 10 4 кВт· ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 2,5 или 3 т угля т нефти. Но для осуществления цепной реакции нельзя исполь­ зовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. В силу ряда причин из ядер, встречающихся в природе, пригодны 235, т. е. лишь 2 ядра изотопа урана с массовым числом g~u. Изотопы урана. Естественный уран состоит в основном из двух изотопов: 2 g~u и 2 2 g~u. Но изотоп g~u составляет всего 1/ 140 долю от более распространенного изотопа 2 g~u. Ядра 2 g~u делятся под влиянием как быстрых, так и мед­ ленных нейтронов. Ядра же 2 g~u могут делиться лишь под влиянием нейтронов с энергией более имеют примерно 60% 1 МэВ. Такую энергию нейтронов, появляющихся при деле­ нии. Однако примерно лишь один нейтрон из пяти произво­ дит деление 2 g~u. Остальные нейтроны захватываются этим изотопом, не производя деления. В результате цепная реак­ ция с использованием чистого изотопа Коэффициент размножения 2 g~u невозможна. нейтронов. Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необходимо лишь, что­ бы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени. Это условие будет выполнено, если коэффициеlim раз­ М1iОЖе1iия нейтронов k больше или равен единице. Коэф­ фициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтро­ нов предшествующего «поколения». Под сменой «поколений» понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтро­ ны старого «поколения» и рождаются новые нейтроны. Если ем k ~ 1, времени идет. При то число нейтронов увеличивается с течени­ или k < 1 остается постоянным, и цепная реакция число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна. Коэффициент размножения определяется четырьмя фак­ тами: 1) захватом медленных нейтронов ядрами 2 g~u с после­ дующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами 2з925 u и 238 92 U также с последующим делением·, 315 2) 3) захватом нейтронов ядрами урана без деления; захватом нейтронов продуктами деления, замедлите­ лем (о нем сказано дальше) и конструктивными элемента­ ми установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу. первый процесс сопровождается увеличением Лишь числа нейтронов (в основном за счет деления 2 g~U). Все остальные приводят к их убыли. Цепная реакция в чистом изотопе 2 g~u невозможна, так как в этом случае k < 1 (чис­ ло нейтронов, поглощаемых ядрами без деления, больше числа нейтронов, вновь образующихся за счет деления ядер). Для стационарного течения цепной реакции коэффи­ размножения нейтронов должен быть равен еди­ циент нице. Это равенство необходимо поддерживать с большой k 1,01 почти мгновенно произойдет точностью. Уже при = взрыв. Образование плутония. Важное значение имеет не вы­ зывающий деления захват нейтронов ядрами изотопа ура­ на 2 g~u. После захвата образуется радиоактивный изотоп 2 g~u с периодом полураспада 23 мин. Распад происхо­ дит с испусканием электрона и антинейтрино (см. с. и возникновением первого трансуранового элемента туния: 2 g~u ~ 2 g~Np + -~е + - 298) неп­ 8v е. Нептуний ~-радиоактивен с периодом полураспад_а око­ ло двух дней. В процессе распада нептуния образуется сле­ дующий трансурановый элемент 2 ~~Np ~ 2 g~Pu + - плутоний: -~е + 8v е. Плутоний относительно стабилен, так как его период по­ лураспада велик - порядка 24 ООО лет. Важнейшее свой­ ство плутония состоит в том, что он делится под влиянием медленных нейтронов, так же как и изотоп 2 g~u. Поэтому с помощью плутония также может быть осуществлена цеп­ ная реакция, которая сопровождается выделением громад­ ной энергии. Цепная реакция деления возможна благодаря тому, что при делении ядер испускается два-три нейтрона. Большая часть выделяемой энергии приходится на кинетическую энергию осколков делящихся ядер. 1. 2. От чего зависит коэффициент размножения нейтронов! Какие изотопы урана испоnьзуются дnя осуществnения цепной ядерной реакции! 316 ЯДЕРНЬIЙ РЕАКТОР § 109 Ядерным реактором называ ­ Медленный нейтрон t ется устройство, в котором осу­ ществляется управляемая реак­ ция деления ядер. Ядра урана, изотопа 2 особенно ядра ~~ U, наиболее эффек­ Быстрые нейтроны нейтроны. Вероятность захвата 1 За~~д~и~~лъ 1 медленных нейтронов с после­ Медленные нейтроны тивно захватывают медленные t , дующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. По­ этому в ядерных реакторах, ра­ ботающих на естественном ура­ не, используются нейтронов для эффициента замедлители повышения размножения ко­ ней­ тронов. Процессы в ядерном ре­ акторе схематически изображе­ ны на рисунке 13.15. Основные элементы ядерного реактора. На рисунке 13.16 приu ведена схема энергетическои Замедлитель Рис. 13.15 установки с ядерным реактором. Основными элементами ядерное горючее ( 2 ~~U, 2 ядерного реактора являются: ~~Pu и др.), замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель образующейся при работе реактора для вывода энергии, (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирова­ ния скорости реакции (вводимые в рабочее пространство веще­ реактора стержни, содержащие кадмий или бор ства, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реакТеплоноситель Пар Турбина Генератор Ядерное горючее и замедлитель стержни Защита от Конденсатор радиации Отражатель Рис. Парогенератор 13.1& 317 Ферми Энрико веnикий (1901-1954) - итаnьянский физик, внесший боnьшой вкnад в развитие современной теоретической и экспериментаnьной физики. В ваn в США. квантовую других 1938 г. эмигриро­ Одновреме_нно с Дираком статистическую часпщ теорию (статистика создаn эnектронов Ферми - и Дирака). Разработаn коnичественную теорию р-распада прототип современной квантовой теории взаимо­ действия зпементарных частиц. Сделап ряд фун­ даментальных открытий Под его руководством в в нейтронной 1942 г. физике. впервые была осуществлена управляемая ядерная реакция. тор окружают защитной оболочкой, задерживающей у-из­ лучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с желез­ ным § заполнителем_ Лучшим замедлителем является тяжелая вода (см. 102). Обычная вода сама захватывает нейтроны и превра­ щается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем считается также графит, ядра которого не поглощают нейтроны. Критическая масса. Коэффициент размножения k мо ­ жет стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некото ­ рые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой еще может протекать цепная ядерная реакция. При малых размерах слишком велика утечка нейтронов через поверхность активной зоны реактора (объем , в кото­ ром располагаются стержни с ураном). С увеличением размеров системы число ядер, участвую­ щих в делении, растет пропорционально объему, а число нейтронов, теряемых вследствие утечки, увеличивается пропорционально площади поверхности. Поэтому, увеличи­ вая размеры системы, можно достичь значения коэффици­ ента размножения k ~ 1. Система будет иметь критические размеры, если число нейтронов, потерянных вследствие за­ хвата и утечки, равно числу нейтронов, полученных в про­ цессе деления. Критические размеры и соответственно кри­ тическая масса определяются типом ядерного горючего, замедлителем и конструктивными особенностями реактора. Для чистого (без замедлителя) урана 2 ~gu, имеющего форму шара, критическая масса примерно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см (уран очень тяжелое вещество). Применяя замедлители нейтронов и отражаю­ щую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить кри­ тическую массу до 250 г. 318 Курчатов Игорь Васнnьевнч советский физик и (1903-1960) - организатор научных иссле­ дований, трижды Герой Социалистического Тру­ да. В 1943 ные с г . возглавлял научные работы, связан­ атомной проблемой. Под его руковод­ ством были созданы первый в Европе атомный реактор ( 1946) и пер11ая советская атомная бом­ ба ( 1949). Ранние работы относятся к исследова­ нию сегнетозлектрико11, зываемых нейтронами, ядерных реакций, искусст11енной 11ы­ радиоак­ ти11ности. Открыл существование возбужденных состояний ядер с относительно большим «11реме­ нем ЖИЗНИ». Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k > 1, а при полностью вдвинутых стержнях k < 1. Вдвигая стержни внутрь актив­ ной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакто­ рами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ. Реакторы на быстрых нейтронах. Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. Так как вероятность деления, вызванного быстрыми нейтрона­ ми, мала, то такие реакторы не могут работать на естест­ венном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной сме­ си, содержащей не менее 15 % изотопа 2 g~u. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который за­ тем можно использовать в качестве ядерного топлива. Эти реакторы называются р е акторами-размножителям.и, так как они воспроизводят делящийся материал. Строятся ре­ акторы с коэффициентом. воспроизводства до чит, что в реакторе при делении ся до 1,5 1 1,5. Это зна­ кг изотопа 2 g~u получает­ кг плутония. В обычных реакторах коэффициент воспроизводства Первые 0,6-0, 7. ядерные реакторы. Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США коллек­ тивом ученых под руководством Энрико Ф е р м и в декаб­ ре 1942 г. 25 В наше й стра не первый яде рн ы й реак 'l'ОР бы л за пуще н декабр я 1946 г. коллективом ф и зиков, который воз­ главлял наш замечател ьный ученый Игорь Васильевич К урчат о в. В настоящее время созданы различные типы реакторов, так и по отличающихся друг от друга как по мощности, своему назн ач ен ию. 319 В ядерных реакторах, кроме ядерного горючего, имеют­ ся замедлитель нейтронов и управляющие стержни. Выде­ ляемая энергия отводится теплоносителем. 1. 1. Что такое критическая масса! Для чего в атомном реакторе используется замедпитель нен­ тронов! § 110 ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя оскол­ ков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия. Это означает, что при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается и, следовательно, должна выделяться значи­ тельная энергия. Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких темпера­ турах. Поэтому они называются термоядерными. Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре. Для слияния ядер необходимо, чтобы . они сблизились 10-12 см, т. е. чтобы они попали в сфе­ на расстояние около ру действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть пре­ одолено лишь за счет большой кинетической энергии теп­ лового движения ядер. Энергия, которая выделяется при термоядерных реак­ циях в расчете на один нуклон, превышает удельную энер­ гию, Так, выделяющуюся при слиянии при цепных реакциях тяжелого водорода сверхтяжелым изотопом водорода ся около 3,5 - - деления дейтерия тритием - ядер. - со выделяет­ МэВ на один нуклон. При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон. Термоядерные реакции играют большую роль в эволю­ ции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. По современным представ­ лениям, на ранней стадии развития звезда в основном со­ стоит из водорода. Температура внутри звезды столь вели­ ка, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия. Затем при слиянии ядер гелия обра­ зуются и более тяжелые элементы. 310 Термоядерные реакции играют решающую роль в эво­ люции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, обеспе­ чивающей излучение света звездами на протяжении мил­ лиардов лет. Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпае­ мый источник энергии. Наиболее перспективной в этом от­ ношении с реакцией является реакция слияния дейтерия тритием: iH + ~Н-+ ~Не+ рп. В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ. Посколь­ ку трития в природе нет, он должен вырабатываться в са­ мом термоядерном реакторе из лития. Экономически выгодная реакция, как показывают рас­ четы, может идти только при нагревании реагирующих ве­ ществ до температуры порядка сотен миллионов кельвин при большой плотности вещества (10 14 -10 15 частиц в 1 см 3 ). Такие температуры могут быть в принципе достигнуты пу­ тем создания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудность на этом пути состоит в том, чтобы удер­ жать плазму столь высокой температуры внутри установки в течение 0,1-1 с. Никакие стенки из вещества здесь не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Единственно возможным является метод удержания высокотемпературной плазмы в ограниченном объеме с по­ мощью очень сильных магнитных полей. Однако до сих пор решить эту задачу не удалось из-за неустойчивости плазмы. Неустойчивость приводит к диффузии части заря­ женных Для частиц сквозь уменьшения магнитные стенки. неоднородности магнитного поля, приводящей к изменению конфигурации плазменного стол­ ба и соответственно к его неустойчивости, академиками А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом была предложена форма плазменного столба в виде тора, которая используется на установке, называемой «Токамак». На этой установке удалось получить плазму темпера­ турой 1,3 · 10 7 К. Однако проблема ее удержания еще не решена. Помимо энергетического преимущества, при термоядер­ ных реакциях не образуются радиоактивные отходы, т. е. не надо решать проблемы загрязнения окружающей среды. В настоящее время существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы. 11-Мякишев, 11 IИ!. 311 Ученые нашей страны достигли больших успехов в созда­ нии управляемых термоядерных реакций. Эти работы были начаты под руководством академиков Л. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича и продолжаются их учениками. Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую ре­ акцию синтеза взрывного типа в водородной (или термо­ ядерной) бомбе. Осуществление управляемых термоядерных реакций способно решить энергетическую проблему человечества. Неуправляемые термоядерные реакции в водородных бом­ бах могут человечество уничтожить. 1. Почему реакция сnияния nегких ядер происходит тоnько при очень высоких температурах! 1. Как объяснить с точки зрения закона сохранения энергии, что энергия выдеnяется как при деnении тяжеnых ядер, так и при преобразования ее слиянии nеrких ядер! § 111 ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ Применение ядерной энергии для в электрическую впервые было осуществлено в нашей стра­ не в 1954 г. В г. Обнинске была введена в действие первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт. Энер­ гия, выделяющаяся в ядерном реакторе, использовалась для превращения воды в пар, который вращал затем свя­ занную с генератором турбину. Развитие ядерной энергетики. По такому же принципу действуют введенные в эксплуатацию Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и другие АЭС. Реакто­ ры этих станций имеют мощность 500-1 ООО МВт. Атомные электростанции строятся прежде всего в евро­ пейской части страны. Это связано с преимуществами АЭС по сравнению с тепловыми электростанциями, работающи­ ми на органическом топливе. Ядерные реакторы не потреб­ ляют дефицитного органического топлива и не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт. Атомные электростанции не потребляют атмосферный кислород и не засоряют среду золой и продуктами сгорания. Однако раз­ мещение АЭС в густонаселенных областях таит в себе по­ тенциальную угрозу. В реакторах на тепловых (т. е. медленных) нейтронах уран используется лишь на 1-2% . Полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах, в ко­ торых обеспечивается также воспроизводство нового ядер- 311 нога горючего в виде плутония. В 1980 г. на Белоярской АЭС состоялся пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах мощностью Ядерной 600 энергетике, МВт. как и многим другим отраслям промышленности, присущи вредные или опасные факторы воздействия циальную на окружающую среду. опасность представляет Наибольшую потен­ радиоактивное загряз­ нение. Сложные проблемы возникают с захоронением ра­ диоактивных срок 20 отходов атомных и демонтажем электростанций. отслуживших Срок их службы свой около лет, после чего восстановление станций из-за многолет­ него воздействия радиации на материалы конструкций не­ возможно. АЭС проектируется с расчетом на максимальную безо­ пасность персонала станции и населения. Опыт эксплуата­ ции АЭС во всем мире показывает, что биосфера надежно защищена от радиационного воздействия предприятий ядерной энергетики в нормальном режиме эксплуатации. Однако взрыв четвертого реактора на Чернобыльской АЭС показал, что риск разрушения активной зоны реактора из-за ошибок персонала и просчетов в конструкции реакто­ ров остается реальностью, поэтому принимаются строжай­ шие меры для снижения этого риска. Ядерные реакторы устанавливаются также на атомных подводных лодках и ледоколах. Ядерное оружие. Неуправляемая цепная реакция с боль­ шим коэффициентом увеличения нейтронов осуществляет­ ся в атомной бомбе. Для того чтобы происходило почти мгновенное выделе­ ние энергии нейтронах (взрыв), (без реакция должна применения идти замедлителей). веществом служит чистый уран 2 на быстрых Взрывчатым g~u или плутоний 2 g~Pu. Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося мате­ риала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими. То и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ. При взрыве атомной бомбы температура достигает десят­ ков миллионов кельвин. При такой высокой температуре очень резко повышается давление и образуется мощная взрыв­ ная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве атомной бомбы силь­ но радиоактивны и опасны для жизни живых организмов. 11* 313 Атомные бомбы применили США в конце Второй миро­ вой войны против Японии. В 1945 г. были сброшены атом­ ные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. В термоядерной (водородной) бомбе для инициирования реакции синтеза используется взрыв атомной бомбы, поме­ щенной внутри термоядерной. Нетривиальным решением оказалось то, что взрыв атом­ ной бомбы используется не для повышения температуры, а для сильнейшего сжатия термоядерного топлива излуче­ нием, образующимся при взрыве атомной бомбы. В нашей стране основные идеи создания термоядерной бомбы были выдвинуты после Великой Отечественной вой­ ны А. Д. Сахаровым. С созданием ядерного оружия победа в войне стала не­ возможной. Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия. ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ § 112 И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В атомной индустрии всевозрастающую ценность для человечества представляют Элементы, не радиоактивные изотопы. существующие в природе. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изото­ пы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номерами 43, 61, 85 и 8 7 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. Так, например, элемент с порядковым номером Z = 43, названный технецием, име­ ет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет. С помощью ядерных реакций получены также транс­ урановые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знае­ те. Кроме них, получены еще следующие элементы: амери­ ций (Z = 95), кюрий (Z = 96), берк:лий (Z = 97), к:алифор н ий = 98), эйнштейний (Z = 99), фермий (Z = 100), ме нделе­ вий (Z = 101), нобелий (Z = 102), лоуренсий (Z = 103), ре­ зерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), хассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), (Z а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имею­ щие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 104, впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии. 314 Меченые атомы. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко используются радиоактив­ ные изотопы различных химических элементов. Наиболь­ шее применение имеет метод меченых атомов. Метод основан на том, что химические свойства радио­ активных изотопов не отличаются от свойств нерадиоак­ тивных изотопов тех же элементов. Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень про­ сто - по их излучению. Радиоактивность .являете.я своеоб­ разной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакци­ ях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т. д. Радиоактивные изотопы - источники излучений. Ра­ диоактивные изотопы широко применяются в науке, меди­ цине и технике как компактные источники у-лучей. Глав­ ным образом используете.я радиоактивный кобальт ~~Со. Получение радиоактивных изотопов. Получают радио­ активные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности. Радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с по­ мощью меченых атомов, .явилось исследование обмена ве­ ществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое врем.я организм подвергаете.я почти полному об­ новлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному ис­ следованию крови, является исключением из этого прави­ ла. Железо входит в состав гемоглобина красных кровя­ ных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа ~~ Fe было обнаружено, что они почти не по­ ступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться орга­ низмом. Если не существует достаточно долго живущих радио­ активных меняют изотопов, изотопный как, например, состав у кислорода стабильных и элементов. добавлением к кислороду избытка изотопа 1 азота, Так , ~ О было уста - новлено, что свободный кислород, выделяющийся при фо­ тосинтезе, кислого первоначально входил в состав воды, а не угле­ газа. Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. 315 Радиоактивный натрий, вводимый в небольших коли­ чествах в кровь, используется для исследования кровооб­ ращения. Иод интенсивно отлагается в щитовидной железе, осо­ бенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счет­ чика за отложением радиоактивного иода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного иода вы­ зывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный иод используют для ле­ чения базедовой болезни. Интенсивное у-излучение кобальта используется при ле­ чении раковых заболеваний (кобальтовая пушка). Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить спо­ соб контроля износа поршневых колец в двигателях внут­ реннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактив­ ным. При работе двигателя частички материала кольца по­ падают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивно­ сти масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное у-из­ лучение радиоактивных препаратов используют для иссле­ дования внутренней структуры металлических от л~вок с целью обнаружения в них дефектов. Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчат­ ника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами у-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повыше­ нию урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у расте­ ний и микроорганизмов, что в отдельных случаях приво­ дит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены фасоли и других культур, ценные сорта пшеницы, а также получены высокопро­ дуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили меченые атомы в агро­ технике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различ­ ные удобрения радиоактивным фосфором ~~р. Исследуя за326 тем растения на радиоактивность, можно определить коли­ чество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения. Радиоактивные изотопы в археологии. Интересное при­ менение для определения возраста древних предметов орга­ нического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растени­ 1 ях всегда имеется ~-радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т = 5700 лет. tc Он образуется в атмо­ сфере Земли в небольшом количестве из азота под дейст­ вием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые посту­ пают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот изотоп углерода образу­ ет углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати ~-частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактив­ ным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органи­ ческих остатках, можно определить их возраст, если он ле­ жит в пределах от 1000 до 50 ООО и даже до 100 ООО лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остат­ ков доисторических костров и т. д. Радиоактивные изотопы широко применяются в био­ медицине, промышленности, сельском хозяйстве логии, и даже в археологии. Что такое радноактнвн~.1е изотопы н как нх нспоn~.зуют! § 113 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже срав­ нительно слабое излучение, которое при полном поглоще­ нии повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нару­ шает жизнедеятельность клеток. Живая клетка - это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых по­ вреждениях отдельных его участков. Между тем и слабые излучения способны нанести клеткам существенные повре­ ждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). 317 При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смер­ тельных дозах. Механизм биологического действия излучения, пора­ жающего объекты, еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувстви­ тельны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, кото­ рые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс об­ разования крови. Далее наступает поражение клеток пище­ варительного тракта и других органов. Сильное влияние оказывает облучение на наследствен­ ность, поражая гены в хромосомах. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным. Облучение живых организмов может оказывать и опре­ деленную пользу. Быстроразмножающиеся клетки в злока­ чественных (раковых) опухолях более чувствительны к об­ лучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли у-лучами радиоактивных препаратов, ко­ торые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи. Доза излучения. Воздействие излучений на живые орга­ низмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной до­ зой излучения называется отношение погдощенной энер­ гии Е ионизирующего излучения к массе т облучаемого вещества: D= Е. (13.6) т В СИ поглощенную дозу излучения выражают в грэях (сокращенно: Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой ся энергия ионизирующего излучения 1 1 кг передает­ Дж: 1Гр=1 Дж. кг Естественный фон радиации (космические лучи, радио­ активность окружающей среды и человеческого тела) со­ ставляет за год дозу излучения около 2 · 10- 3 Гр на челове­ ка. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу полученная за короткое 0,05 Гр. Доза излучения время, 3-10 Гр, смертельна. Рентген. На практике широко используется внесистем­ ная единица экспозиционной дозы излучения 318 - рентген (сокращенно: Р). Эта единица является мерой ионизирую­ щей способности рентгеновского и гамма-излучений. Доза излучения равна одному рентгену воздуха при температуре О 0 (1 Р), если в С и давлении 760 1 см 3 сухого мм рт. ст. об­ разуется столько ионов, что их суммарный заряд каждого знака в отдельности равен 3 · 10-10 Кл. При этом получает­ ся примерно 2 · 10 9 пар ионов. Число образующихся ионов связано с поглощаемой веществом энергией. В практиче­ ской дозиметрии можно считать 1 Р примерно эквивалент­ ным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр. Характер воздействия излучения зависит не только от дозы поглощенного излучения, но и от его вида. Различие биологического воздеJствия видов излучения характеризу­ k. ется коэффициентом качества За единицу принимается коэффициент качества рентгеновского и гамма-излучения. Самое большое значение коэффициента качества у а-час­ = тиц (k 20), а-лучи являются самыми опасными, так как вызывают самые большие разрушения живых клеток. Для оценки действия излучения на живые организмы вводится специальная величина - эквивалентная доза по­ глощенного излучения. Это произведение дозы поглощен­ ного излучения на коэффициент качества: H=D· k. Единица эквивалентной дозы - зиверт (3в). 1 3в - эквивалентная доза, при которой доза поглощенного гам­ ма-излучения равна 1 Гр. Максимальное значение эквивалентной дозы, после ко­ торого происходит поражение организма, выражающееся в нарушении деления клетки или образовании новых кле­ ток, 0,5 3в. Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного из­ лучения за счет естественного радиационного фона (косми­ ческие лучи, радиоактивные изотопы земной коры и т. д.) составляет 2 м3в в год. Защита организмов от излучения. При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защи­ те всех людей, могущих попасть в зону действия излучения. Самый простой метод защиты это удаление персона­ ла от источника излучения на достаточно большое расстоя­ ние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату рас­ стояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой. 319 В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих мате­ риалов. Наиболее сложна защита от у-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглоти­ телем у-лучей является свинец. Медленные нейтроны хоро­ шо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита. После аварии на Чернобыльской АЭС Международ­ ным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) по пред­ ложению нашей страны приняты рекомендации по допол­ нительным мерам безопасности энергетических реакторов. Установлены более строгие регламенты работ персонала АЭС. Авария на Чернобыльской АЭС показала огромную опас­ ность радиоактивных излучений. Все люди должны иметь представление об этой опасности и мерах защиты от нее. 1. 1. 3. Что такое доза излучения! Чему (в рентгенах) равен естественный фон радиации! Чему (в рентгенах) равна предельно допустимая за год доза излучения для лиц, работающих с радиоактивными препа­ ратами! УПРАЖНЕНИЕ 1. 14 В результате последовательной серии радиоактивных рас­ падов уран 2 ~~U превращается в свинец 2 ~~РЬ. Сколько а- и ~-пре­ вращений он при этом испытывает? 2. Период полураспада радия Т = мя число атомов уменьшится в 3. = 4. 1600 лет. Через какое вре­ раза? Во сколько раз уменьшится число атомов одного из изото­ пов радона за на Т 4 3,82 1,91 сут.? Период полураспада этого изотопа радо­ сут. Пользуясь периодической системой элементов Д. И. Мен­ делеева, определите число протонов и число нейтронов в ядрах атомов фтора, аргона, брома, цезия и золота. 5. Чему равна энергия связи ядра тяжелого водорода - дей­ 2,01355 а. е. м, прото­ mn = 1,00866 а. е. м; масса ато­ трона? Атомная масса ядра дейтрона mD = на тР = 1,00728 а. е. м, нейтрона ма углерода те= 1,995 · 10-26 кг. 6. При бомбардировке ядер бора 1JB протонами получается бериллий ~Ве. Какое еще ядро образуется при этой реакции? 330 7. В результате деления ядра урана 2 ~~U. захватившего нейтрон, образуются ядра бария 1 ~~Ва и криптона jJKr, а также три свобод­ ных нейтрона. Удельная энергия связи ядер бария клон, криптона 8,55 МэВ/нуклон и урана 7,59 8,38 МэВ/ну­ МэВ/нуклон. Чему равна энергия, выделяющаяся nри делении одного ядра урана? КРАТКИЕ ИТОГИ ГЛАВЫ 1. 13 В ядерной физике изучаются структура и превращения ядер. Для регистрации и изучения столкновений и вза­ имных превращений атомных ядер и элементарных час­ тиц используют специальные устройства. К их числу относятся счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырь­ ковая камера, фотоэмульсии. 2. В конце XIX в. А. Беккерель открыл явление радиоак­ тивности. Радиоактивность явление самопроизволь­ ного превращения одних ядер в другие, сопровождаю­ щееся испусканием различных частиц. Такие химиче­ ские элементы, как уран, торий и др., самопроизвольно (без внешних воздействий) излучают а-, ~-и у-лучи. При­ рода этих лучей различна: у-лучи ные волны малой длины волны чи - это поток электронов, - это электромагнит­ (10- 10 -10- 13 м), ~-лу­ а а-лучи представляют со­ бой поток ядер атомов гелия. 3. Э. Резерфорд уставовил, есть самопроизвольное что радиоактивный превращение атомных распад ядер, провождающееся испусканием различных частиц. гласно закону радиоактивного интервал радиоактивного вещества времени, распада существует на протяжении ность убывает в два раза. для со­ Со­ каждого определенный которого его актив­ Этот интервал времени на­ зывают периодом полураспада. В зависимости от веще­ ства период полураспада меняется в широких пределах: от миллиардов лет до долей секунды. 4. Резерфорд впервые произвел искусственное превраще­ ние атомных ядер, бомбардируя их а-частицами, испус­ каемыми радиоактивными веществами. Д. Чедвик с по­ мощью подобных опытов открыл новую элементарную частицу нейтрон. Заряд нейтрона равен нулю, а мас­ са примерно равна массе протона (лишь незначительно превышая ее). 5. В. Гейзенберг и Д. Д. Иваненко предложили протон­ но-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Массовое число ядра А равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N: А= Z + N. 331 6. Ядра с одним и тем же числом протонов числом нейтронов N Z, но с разным называются изотопами. Их хими­ ческие свойства тождественны. 7. Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра мощ­ ными короткодействующими силами. Эти силы назы­ ваются ядерными. 8. Важнейшим для всей ядерной физики является поня­ тие энергии связи. Энергия связи Есв равна той энер­ гии, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро ядер на в составляющие миллионы раз его нуклоны. превышает Энергия энергию связи ионизации атомов. 9. Изменения ядер при их взаимодействии друг с другом (или с элементарными частицами) называют ядерными реакциями. При ядерных реакциях происходит выде­ ление или поглощение энергии. Большинство ядерных реакций наблюдается при столк­ новении ядер с заряженными элементарными частица­ ми или легкими ядрами большой энергии. Такую энер­ гию они приобретают в ускорителях элементарных частиц или ионов. Нейтроны не отталкиваются ядрами и поэтому могут вызывать ядерные реакции при неболь­ ших энергиях. 10. Ядра урана, тория и других тяжелых элементов спо­ собны делиться под влиянием нейтронов. При этом вы­ деляется энергия порядка 200 МэВ. При делении ~ ядра испускается два-три нейтрона. Это позволяет осущест­ вить управляемую цепную реакцию в ядерных реакто­ рах. Неуправляемая реакция деления ядер использует­ ся в атомных бомбах. 11. При столкновениях легкие ядра могут сливаться с вы­ делением энергии. Такие ядерные реакции могут про­ ходить только при высоких температурах и поэтому называются термоядерными. 3а счет термоядерных ре­ акций Солнце и звезды выделяют энергию на протяже­ нии миллиардов лет. Осуществить управляемую термо­ ядерную 12. реакцию пока не удается. В нашей стране была построена первая в ми ре атомная электростанция. Развивается строительство мощных атомных электростанций. После аварии на Чернобыль­ ской АЭС приняты дополнительные меры по безопасно­ сти 13. атомных реакторов. Радиоактивные изотопы, получаемые с помощью ядер­ ных реакторов и ускорителей частиц, находят приме­ нение в науке, медицине, сельском хозяйстве и про­ мышленности. 331 14. Радиоактивные излучения представляют большую опасность для живых организмов. При работе с ними необходимо прибегать к специальным мерам защиты. Глава 14. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ В этой главе речь пойдет о частицах, которые нель­ зя разделить и из которых построена вся материя. ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ § 114 ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Вы уже более или менее знакомы с электроном, фото­ ном, протоном и нейтроном. Но что же такое элементарная частица? Этап первый. От электрона до позитрона: (Элементарные частицы - 1897-1932 «атомы Демокрита» гг. на бо­ лее глубоком уровне.) Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие не­ расчленимые далее частицы атомами (слово атом, напом­ ним, означает ставлялось в «неделимый»), то ему, вероятно, все пред­ принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неиз­ менных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменя­ ется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными. Но в конце XIX в. было открыто сложное строение ато­ мов и был выделен электрон как составная часть атома. За­ тем, уже в ХХ в., были открыты протон и нейтрон - части­ цы, входящие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на ато­ мы: их считали неделимыми и неизменными первоначаль­ ными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.) Ситуация привлекательной ясности дл илась недолго. Все оказалось намного слож нее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная заключает­ ся двоякий смысл. С одной стороны, элементарный это само собой разуме ющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, ле­ жащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и назы­ вают субатомные частицы элементарными). Считать известные сейчас элементарные частицы подоб­ ными неизменным атомам Демокрита мешает следующий 333
