Путешествие в страну РАИ - Дмитрий Николаевич Трифонов

Уже в начале XX века знали о естественных превращениях элементов, например радиоактивном распаде урана, тория, актиния, полония и радона.

Но ученые не располагали средствами, чтобы как-либо повлиять на этот процесс — ускорить его или замедлить, провести мгновенно или прекратить вовсе.

Тем труднее и фантастичнее казалась поставленная задача. Вызвать искусственное превращение элементов — это значило вторгнуться в пределы ядра, нарушить его структуру, изменить заряд.

Нужно было сначала подготовиться теоретически.

При естественных радиоактивных превращениях выделяется огромная энергия. Если выразить ее величину через температуру, то получится громадная величина, миллионы градусов. Возможно, такая высокая температура способна вызвать ядерные реакции.

Но подобных сверхвысоких температур не было в руках людей. Существовали пока смутные догадки, что процессы превращения элементов происходят лишь в звездах.

А если найти такие частицы, такие «снаряды», которые, проникнув через электронную оболочку атома, смогли бы преодолеть отталкивающее действие ядра? У них, этих частиц, должна быть очень высокая кинетическая энергия.

В руках ученых были лишь положительные альфа- и отрицательные бета-частицы. Но бета-частицы отпадали: их легко оттолкнули бы электронные оболочки атома.

Оставались альфа-частицы, ядра атомов гелия.

Резерфорд и решил применить эти частицы в качестве стремительных «снарядов». Он использовал альфа-частицы изотопа полония, которые вылетают с громадной скоростью, почти 20 000 километров в секунду.

Опыт Резерфорда, несмотря на всю необычность поставленной задачи, был прост.

Его установка представляла собой небольшую камеру. Внутри располагался радиоактивный препарат, испускавший альфа-частицы. На стенке камеры помещался специальный экран, покрытый сернистым цинком. Это вещество способно светиться под действием альфа-частиц. На экране под микроскопом можно наблюдать очень характерные вспышки — сцинтилляции. Они-то и вызывались альфа-частицами.

Резерфорд наполнил свою камеру азотом и продолжал наблюдения. Снова на экране появлялись вспышки, но совсем не похожие на те, что вызываются альфа-частицами.

Значит, это были другие частицы.

Ученый провел тщательные и многочисленные опыты и установил, что эти непонятные частицы — протоны, ядра атома водорода.

Так обстояло дело на практике. Процесс нужно было объяснить теоретически.

И Резерфорд рассуждал:

Мы имеем ядро азота. Его можно обозначить, как 7N14, где цифра 7 показывает заряд ядра азота, а цифра 14 — атомный вес. Если в ядро азота попадает альфа-частица, то, по-видимому, образуется новое ядро, обозначаемое через X.

Так как альфа-частица имеет заряд, равный двум, и вес, равный четырем, то можно записать «составное» ядро символом 9X18. И если при опыте обнаруживаются протоны, они могут испускаться только этим составным ядром. В итоге получается новое ядро; обозначим его через 8Y17, потому что протон имеет заряд, равный единице, и вес, равный единице. Ядро 8Y17 не может быть ничем иным, как ядром атома кислорода 8O17.

Итак, при бомбардировке азота альфа-частицами образуется кислород. Происходит искусственное превращение элементов.

Вторым важнейшим шагом в развитии ядерной химии было открытие искусственной радиоактивности.

Это явление связано с именами супругов Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри — представителей второго поколения Кюри.

Так же, как и Резерфорд, супруги Жолио-Кюри пытались в 1933 году провести реакцию превращения элементов. «Мишенью» они избрали металлический алюминий 13Al27. «Снарядами» служили альфа-частицы ядра гелия — 2He4, испускаемые сильно радиоактивным элементом полонием. Если реакция превращения элементов будет иметь место, то получится изотоп фосфора 15P30. Если также учесть, что алюминий во время облучения испускает нейтроны 0n1, то ядерную реакцию можно записать так:

13Al27 + 2He4→0n1 + 15P30.

Все, казалось бы, просто. Но неожиданно обнаруживается удивительная вещь: сама пластинка алюминия становится источником излучения. Оно не прекращается даже в отсутствие препарата полония.

Супруги Кюри тщательно исследовали характер неизвестного излучения и выяснили, что оно является потоком позитронов. Позитрон представляет собой частицу, аналогичную электрону, но имеющую положительный заряд (e+). Эта частица была открыта двумя годами раньше американцем Андерсоном в космических лучах.

Таким образом, рассуждали супруги Кюри, изотоп фосфора 15P30 оказывается радиоактивным и, испуская позитроны, превращается в стабильный изотоп кремния 14Si30. Иными словами:

15P30 – e+→4Si30.

Это предположение было подтверждено химическими методами.

Так человек нашел пути к получению искусственных радиоактивных изотопов.

Таким образом, в основе ядерных реакций, процессов ядерной химии, лежат изменения атомного ядра.

Конечным продуктом ядерной реакции может быть изотоп другого элемента (или других элементов) или другой изотоп того же элемента. Кроме того, в результате реакции могут получаться вторичные элементарные частицы (например, протон, дейтрон и другие) или испускаться гамма-лучи.

Для того чтобы ядерная реакция осуществилась, требуется несколько условий. Во-первых, нужно располагать бомбардирующими частицами, своеобразными ядерными «агентами», «снарядами». Одни из них альфа-частицы — их применили в своих опытах Резерфорд и супруги Кюри.

Кроме альфа-частиц, в качестве «снарядов» используются протоны (1p1), дейтроны (ядра «тяжелого» изотопа водорода 1d2) и нейтроны 0n1). Ядерные реакции могут вызываться также действием гамма-лучей. Эти элементарные частицы не трудно получить. В качестве источника альфа-частиц служат некоторые сильно радиоактивные элементы, например полоний, радий. Нейтронным источником оказывается смесь солей радия и бериллия: альфа-частицы, испускаемые радием, выбивают нейтроны из ядер бериллия.

Тип бомбардирующих частиц имеет огромное значение для ядерных реакций. В зависимости от того, какая частица (альфа-частица, дейтрон, протон или нейтрон) выбрана в качестве «снаряда», меняется сам характер ядерной реакции и ее конечный результат.

Второе условие несколько сложнее. Реакция происходит только тогда, когда бомбардирующей частице удается столкнуться с ядром. Оно обладает положительным зарядом, а значит, и сильным электрическим полем. Поэтому положительно заряженные частицы (α, p, d) будут испытывать сильное отталкивание со стороны поля ядра. В обычных условиях лишь очень редким частицам удается «просочиться» через «оборону» атомного ядра.

Чтобы сделать ядерную реакцию интенсивной, бомбардирующим частицам надо придать большую энергию, их нужно ускорить.

Ускорить, но до какой степени?

Для измерения энергии бомбардирующих частиц используются специальные единицы — электроновольты. Электроновольтом называется энергия, которую получит частица с зарядом, равным заряду электрона, при прохождении разности потенциалов в один вольт (обозначение эв). Ядерные реакции происходят обычно при энергиях, измеряемых миллионами электроновольт, или мегаэлектроновольтами — Мэв).

Так, протон, чтобы проникнуть в ядро свинца, должен иметь энергию около 10 мегаэлектроновольт. Энергия же излучения большинства радиоактивных изотопов не достигает и одного электроновольта.

Но как ускорить заряженные частицы? Используются специальные установки, ускорители элементарных частиц.

В этих установках (их несколько типов) частицы ускоряются благодаря