Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек - Сергей Бердышев

Ученый был уверен, что вынужденное излучение происходит под воздействием солнечного света, однако случай заставил его изменить свое мнение. Как-то раз эксперимент Беккереля был сорван пасмурной погодой. Несмотря на то что опыт был завершен раньше обычного и ученый не ожидал получить результат, он, тем не менее, решил положить урановую соль на фотопластинку. Та оказалась засвеченной точно так же, как если бы соль весь день пробыла на ярком солнце. Беккерель заключил, что испускание невидимых лучей солью нельзя увязать с люминесценцией.

Обнаруженное физиком природное явление заинтересовало многих других ученых, в т. ч. супругов Кюри. Мария Склодовская-Кюри, исследовавшая феномен вместе со своим мужем Пьером Кюри, предложила назвать вновь открытое явление радиоактивностью (от латинского «radis» — луч). В 1898 г. супруги-ученые открывают два других, помимо урана, радиоактивных элемента — радий и полоний.

Обычно радиоактивность связывают не с ядерными превращениями и распадом элементов, а с процессом испускания некоторыми веществами жесткого, проникающего излучения. В реальности разница между двумя явлениями значительна. Испускание радиации, как вид невидимого излучения, действительно всегда сопровождает радиоактивный распад всех нестабильных ядер элементов. Жесткое излучение является в данном случае формой высвобождения колоссальной атомной энергии.

Но точно такое же излучение может возникать и в ходе термоядерных реакций, т. е. реакций, связанных не с распадом, а с синтезом ядер. Поэтому заменять понятие радиоактивности термином «радиация» нельзя. Физики различают три вида активного излучения, обозначаемые первыми тремя буквами древнегреческого алфавита — альфа-, бета- и гамма-лучи. Выявить разновидности радиации удалось после того, как упоминавшийся ранее английский физик Э. Резерфорд применил магниты для изучения свойств невидимых лучей.

В магнитных полях радиоактивное излучение отчетливо распадается на три потока, поскольку некоторые слагающие лучи частицы имеют электрические заряды. Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия. Они отклоняются в магнитном поле в сторону отрицательного полюса. Бета-частицы являются свободными электронами, которые несут отрицательный заряд и потому отклоняются в сторону плюсового полюса.

Гамма-лучи образованы т. н. гамма-квантами, или фотонами, с очень высокой энергией и большой частотой. Заряда эти частицы не несут, поэтому в магнитном поле не отклоняются. Таким образом, сплошной поток радиации можно разбить в магнитном поле на три самостоятельных потока — один прямой (гамма-лучи) и два отклоняющихся к противоположным полюсам (альфа- и бета-лучи).

Излучение разной природы имеет неодинаковую проникающую способность. Альфа-частицы остановить сравнительно легко, поскольку они малоактивны и слишком тяжелы. Плотный слой вещества или магнитное поле легко гасят такое излучение. Электроны гораздо более активны, они имеют сравнительно высокую проникающую способность. Большой подвижностью обладают гамма-кванты, которые остановить чрезвычайно трудно. Гамма-лучи способны вызывать у человека серьезные поражения клеток и тканей на молекулярном уровне. Именно поэтому радиация крайне опасна.

Защитой от радиации является слой поглощающего ее вещества. Это может быть любое вещество, однако мощность слоя для разных материалов будет неодинакова. Слой металла, как правило неактивного свинца, толщиной в 6 см способен почти полностью заглушить поток радиации от солей урана. Бетонная защита должна иметь толщину около 10–15 см. Грунт (почва) в качестве препятствия для гамма-лучей подбирается средней мощностью до 60 см. Естественно, приведенные здесь цифры усреднены.

Резерфорд совершил немало других открытий, которые легли в основу ядерной физики. Кроме обнаружения ядерных реакций и видов радиоактивного излучения, весьма существенным достижением ученого следует назвать открытие закона радиоактивного распада. Резерфорд установил, что нестабильные атомы распадаются со строго определенной периодичностью и в постоянной доле от первичного количества.

Период распада постоянен и неизменен для каждого вида атомов. У разных видов он может насчитывать от долей секунды до миллионов лет. Скорость распада ядер и образования новых видов атомов и элементов постоянна, она не зависит ни от каких внешних сил и воздействий, за исключением ядерных. Период распада не особенно важен в физике, поскольку ученым гораздо удобнее иметь дело с т. н. периодом полураспада. Так называется временной интервал, за который распадается примерно половина всего количества ядер.

Период полураспада является постоянной величиной. В течение первого периода происходит распад 1/2 от общего количества, за последующий период — распад 1/2 от исходного или 1/4 от первичного, по прошествии еще одного периода — соответственно 1/2 и 1/8 части. Что же произойдет, когда останутся, скажем, 4 атома? Наверное, по истечении очередного периода полураспада останутся 2 атома, хотя вполне вероятно, что 3 или даже 1. Так происходит потому, что закон радиоактивного распада имеет вероятностный характер. Он справедлив, когда количество атомов чрезвычайно велико и возможность распада именно половины из них наиболее вероятна. Но в радиоактивном веществе по прошествии периода полураспада никогда не распадается ровно 50 % ядер. Однако сколь угодно приближенное к 50 % количество распавшихся атомов вполне реально. Например, если по прошествии периода полураспада распадется из 1 млрд атомов 500 000 100 ядер, то в этом не будет ничего удивительного. Напротив, такое количество распавшихся ядер наиболее вероятно и ожидаемо.

Изобретение атомных реакторов

После открытия А. Беккерелем и супругами Кюри явления радиоактивности Э. Резерфорд догадался использовать излучение, рождающееся во время этого процесса, для воздействия на атомы вещества. Наибольший интерес у физика вызвало альфа-излучение. Облучение вещества альфа-частицами вызывает в нем ядерные реакции, сопровождающиеся перерождением атомов (их распадом, превращением в новые атомы) или испусканием атомами нового излучения.

Возможность проводить ядерные реакции так, как задумано, привлекла к себе внимание ученых. В 1934 г. вслед за Резерфордом проводят опыты по бомбардировке альфа-частицами разных веществ Ирен Жолио-Кюри (дочь супругов Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри. Они обнаруживают, что алюминий, бор и магний после облучения альфа-частицами приобретают радиоактивные свойства. Новое физическое явление называют в науке искусственной радиоактивностью. За его открытие супругам Жолио-Кюри в 1935 г. была присуждена Нобелевская премия.

В 1938 г. немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрасманом проводятся исследования радиоактивного деления ядер урана. Ученые наблюдают активное выделение нейтронов в ходе реакции. Тогда же Ф. Жолио-Кюри принимается за исследование деления урана. На основе открытия Гана и Штрасмана он выдвигает предположение, что в уране возможны цепные реакции. Дальнейшие работы Жолио-Кюри подтвердили справедливость этого предположения.

Рождающиеся при делении ядер урана нейтроны начинают бомбардировать соседние ядра и вызывать их деление. В результате распад атомов продолжается стихийно. Очередная группа распавшихся атомов порождает нейтроны, разрушающие еще одну группу атомов, также порождающих при распаде нейтроны. При этом выделяется колоссальное количество энергии, которая может быть использована человеком.

Цепные реакции не нуждаются в контроле, они протекают самопроизвольно. Однако этот стихийный процесс приводит к высвобождению такого количества энергии, что ее выделение происходит взрывообразно. На этом принципе основано устройство атомной бомбы. Ядерная энергетика деления развивает технологии контролируемого расщепления атома, при которых возможно получение не разрушительной, а созидательной энергии для нужд промышленности.

Первым ученым, который добился успеха, занимаясь такими исследованиями, был итальянский физик Э. Ферми. Он изучал особенности процесса искусственного деления ядер урана и, в частности, установил, как обойти границу величины критической массы. Под критической массой радиоактивного вещества понимается такое его количество, когда цепная реакция перестает быть управляемой.

В атомной энергетике достижение ядерным горючим критической массы очень опасно, поскольку реактор превращается в бомбу. Первый в мире реактор был запущен под руководством Э. Ферми в США в 1942 г. В нашей стране в 1946 г. был запущен первый в Европе атомный реактор. Его запуском ведал основатель отечественной ядерной физики И. В. Курчатов.