Очень долго физики пользовались альфа-частицами, выбрасываемыми ядрами радиоактивных элементов при естественном их распаде. Однако для осуществления многих ядерных реакций необходимы элементарные частицы с большими энергиями, которые при радиоактивных превращениях не получаются. Чтобы получить частицы с бóльшими энергиями, надо сообщить им большие скорости движения.
Ускоренные заряженные частицы можно получать в так называемых ускорителях и этими быстрыми частицами бомбардировать ядра различных веществ. Часть заряженных частиц попадает в атомные ядра и производит ядерные реакции.
Например, быстрый протон, попадая в ядро легкого элемента лития, совершает следующую реакцию (рис. 7):
Ядро лития содержит три протона и четыре нейтрона. После его слияния с протоном мы будем иметь новое ядро, содержащее восемь частиц (четыре протона и четыре нейтрона). Это уже изотоп бериллия с массовым числом, равным восьми. Но ядро бериллия8 неустойчиво и очень быстро распадается на две альфа-частицы (ядра гелия). При этом освобождается большое количество энергии.
После открытия в 1932 году Жолио-Кюри и Чадвиком нейтронов исследователи получили новое мощное средство для осуществления ядерных реакций. Нейтроны — незаряженные частицы, и на них не действуют электрические силы. Поэтому подойти к ядру и произвести ядерное превращение могут даже очень медленные нейтроны. Больше того, очень часто медленные нейтроны гораздо активнее, чем быстрые, производят ядерные превращения. Такие нейтроны находятся вблизи ядра большее время и поэтому легче захватываются ядерными силами ядра.
При захвате ядром нейтрона получается новое ядро, и так как нейтрон не имеет заряда, оно остается ядром изотопа первоначального химического элемента.
Даже самый медленный нейтрон, «упавший» под действием ядерных сил в ядро, приносит с собой значительную энергию. В результате захвата нейтрона ядро «нагревается». Охлаждение полученного ядра может, как мы уже говорили, проходить несколькими способами: из него выбрасывается одна или две частицы или испускаются гамма-лучи.
Например, целый ряд реакций с нейтроном дает ядро азота. На быстрых нейтронах может идти реакция с испусканием альфа-частицы:
Может идти также реакция, где из ядра азота15 вылетают две частицы. Происходит как бы размножение нейтронов:
На медленных нейтронах очень часто происходит такая реакция:
Эта реакция интересна тем, что дает нам искусственное радиоактивное вещество — углерод14 с периодом полураспада 5100 лет:
В результате обоих ядерных превращений мы опять получим ядро азота14. Но вместо захваченного нейтрона из ядра вылетели протон (водород1) и электрон.
Типичной нейтронной реакцией с испусканием гамма-лучей является захват протоном нейтрона и образование изотопа водорода — дейтерия:
Используя современные мощные источники нейтронов, можно получать значительные количества различных элементов, редко встречающихся в природе. Например, сверхтяжелый водород — тритий — можно получить в ядерной реакции:
Тритий — радиоактивный изотоп водорода, и за время около 12 лет половина его атомов распадается. При этом тритий превращается в устойчивый изотоп гелия с массовым числом 3, одновременно испуская электрон:
В настоящее время физики умеют даже превращать ртуть в золото. При этом может быть использована следующая ядерная реакция:
Правда, это золото обходится дороже самородного. Кроме того, оно неустойчиво и быстро распадается, излучая электрон (период полураспада 2,7 дня):
Тем не менее не исключена возможность получения дешевого золота из ртути или из других элементов. Но сейчас перед наукой стоят другие, более важные задачи.
Когда физик намеревается исследовать ту или иную ядерную реакцию, перед ним сразу встают вопросы: как велика вероятность осуществления этой реакции? Сколькими частицами надо обстрелять данное ядро, чтобы произошло ядерное превращение? Мы не будем входить в подробности этого вопроса: он достаточно сложен. Следует указать только, что не каждая заряженная частица, попадая в ядро, совершает ядерную реакцию. Огромное большинство частиц под действием электрических или ядерных сил рассеивается вблизи ядра и не производит ядерной реакции. Исключение составляют так называемые резонансные реакции, когда частицы, обладающие определенной скоростью (энергией), легко проникают в ядро.
Современная физика учит нас, что движение элементарных частиц можно рассматривать как распространение волны. Каждой скорости (энергии) частицы соответствует определенная длина волны. Несомненно, что движение частиц в самом ядре имеет также волновой характер. А если это так, то здесь действительно можно говорить о резонансе: совпадении длин волн частицы и ядра. В этом случае их взаимодействие усиливается. В школе нам показывали опыты с резонансом двух настроенных в унисон камертонов. Звучание одного камертона вызывает звучание другого.
Ядро является очень сложной системой, и поэтому у него может быть несколько уровней энергии, то есть несколько частот или несколько длин волн. Частица, обладающая одним из значений энергии, соответствующих уровням ядра, всегда активнее вступает в ядерную реакцию, чем другие частицы.
Вспомните одну из любимых детских игр — китайский бильярд. Хороший игрок знает, что для того, чтобы попасть в нужную лунку, надо шарик выпустить с точно определенной скоростью. Очень быстрый шарик проскочит далеко и выбьет мало очков. Шарик с малой скоростью не дойдет до лунки с большим числом очков.
Конечно, ядро сложнее китайского бильярда, но там тоже можно представить себе такие уровни (лунки), в которые может попасть заряженная частица, обладающая только определенной скоростью. При этом происходит либо захват частицы с испусканием гамма-кванта с определенной длиной волны (энергией), либо последующий распад ядра с выбрасыванием одной или нескольких частиц.
В качестве примера резонансной реакции можно привести такую:
Эта реакция отличается от описанной ранее тем, что вначале получается гамма-квант, а лишь затем ядро бериллия распадается на две альфа-частицы. Она происходит лишь при определенной энергии ядра водорода (протона), равной приблизительно 0,440 Мэв.
Незаряженному нейтрону проникнуть в ядро легче, чем заряженной частице, так как он не взаимодействует с электрическим зарядом ядра. Иногда нейтрону достаточно пройти вблизи ядра, и он будет как бы втянут ядерными силами внутрь ядра и вызовет ядерную реакцию. Тогда вероятность осуществления ядерной реакции с нейтроном в десятки тысяч раз больше, нежели с заряженной частицей.
Но и нейтроны, так же как заряженные частицы, вступают в резонансные реакции. Например, происходит резонансный захват ядром урана238 всех нейтронов, обладающих определенной энергией, соответствующей какой-то средней скорости. С этой важной реакцией мы познакомимся позже.
Электронный распад ядра. Мы видели, что многие ядерные превращения сопровождаются вылетом электронов.
Возникает законный вопрос: откуда же берутся электроны в ядре? Ведь ядро состоит только из протонов и нейтронов.
Остается предположить, что электрон рождается в ядре в момент его превращения. При распаде, например, трития, в ядре которого один протон и два нейтрона, получается электрон и ядро изотопа гелия3, содержащее два протона и один нейтрон. Выходит, что при излучении электрона из ядра один из нейтронов превратился в протон.
«Ну что же здесь странного? — скажете вы. — Очевидно, нейтрон — сложная частица и состоит из протона и электрона».
Но факты опровергают это предположение.
Есть много ядер, которые излучают при распаде не электроны, а положительно заряженные частицы — позитроны. Так, например, азот13, о котором упоминалось раньше, является радиоактивным изотопом. Его ядро, излучая позитрон, переходит в ядро углерода13:
то есть вместо семи протонов и шести нейтронов в новом ядре будет уже шесть протонов и семь нейтронов. Здесь мы имеем превращение протона в нейтрон и позитрон. Становится ясным, что представление о том, что нейтрон состоит из протона и электрона, несовместимо с существованием радиоактивности, с образованием позитрона.
Современная теория утверждает, что протоны и нейтроны в процессе их взаимодействия в ядре могут превращаться друг в друга с испусканием электрона или позитрона. Эти частицы и излучаются ядром при радиоактивном распаде.
Что же происходит с ядром после этого?
Излучение электрона связано с тем, что один из нейтронов превращается в протон, что, естественно, приводит к увеличению положительного заряда ядра. Мы получаем ядро следующего элемента периодической системы. Например, при распаде трития (изотопа водорода) образуется изотоп гелия.