Помоги проекту - поделись книгой:
Образовавшийся фосфор распадается с излучением позитрона:
При бомбардировке бора и магния идут следующие ядерные реакции:
Свое предположение Ирен и Фредерик Жолио-Кюри подтвердили, выделив из облученного алюминия радиоактивный фосфор.
Для этого облучения альфа-частицами пластинка алюминия была растворена в кислоте. Атомы фосфора, образовавшиеся из алюминия, попали вместе с атомами алюминия в раствор. Затем фосфор был превращен в фосфорную кислоту. К полученному раствору было добавлено несколько миллиграммов обыкновенной фосфорной кислоты, и после этого вся фосфорная кислота переводилась в нерастворимую соль — осаждалась из раствора. Полученная в осадке соль содержала и ту фосфорную кислоту, которая была добавлена к раствору, и ту, которая образовалась из атомов радиоактивного фосфора.
Для чего же необходимо было добавлять обыкновенную фосфорную кислоту?
Из алюминия в опытах Жолио-Кюри при действии альфа-частиц могло образоваться лишь несколько десятков тысяч атомов фосфора, то есть 10-18–10-19 граммов. Из этого количества фосфора получается так мало соли, что вся она свободно растворяется в воде и осадок не может выделиться. Добавленная нерадиоактивная фосфорная кислота играет роль «носителя». Осаждаясь, она «уносит» вместе с собой и ничтожные количества радиоактивной фосфорной кислоты.
Как же узнать, есть ли в осадке атомы радиоактивного фосфора? Ирен и Фредерик Жолио-Кюри убедились в этом благодаря тому, что в выделенной фосфорной кислоте идет процесс, при котором происходит излучение позитронов.
Так же было доказано, что при облучении магния образуется радиоактивный кремний, а при облучении бора — радиоактивный азот. Полученные таким образом неустойчивые элементы были названы искусственными радиоактивными элементами, а само явление — искусственной радиоактивностью.
Работы по получению новых искусственных радиоактивных элементов начали вести ученые различных стран. В качестве атомных «снарядов» применялись нейтроны, получаемые при действии альфа-частиц радия или радона на бериллий:
Чтобы получить источник нейтронов, достаточно смешать бромистый радий или полоний с порошком бериллия.
Все элементы периодической системы были подвергнуты действию нейтронов. При этом удалось установить, что в большинстве случаев получаются радиоактивные элементы, которые испускают бета-лучи.
Однако природные радиоактивные элементы оказались недостаточно мощными источниками ядерных снарядов. Один грамм радия, например, в течение секунды испускает 3,7∙1010 альфа-частиц, а в смеси с бериллием приблизительно 107 нейтронов. Это — огромные количества частиц, но нужно иметь в виду, что при действии на ядра атомов только небольшая часть таких снарядов попадает в цель, так как ядра атомов составляют ничтожную часть объема вещества.
Для получения заметных количеств искусственных радиоактивных элементов ученые построили аппараты, с помощью которых можно создавать потоки альфа-частиц, протонов, нейтронов и дейтронов с большим количеством частиц и большой энергией (дейтроны — ядра изотопа водорода, состоящие из протона и нейтрона).
Одним из аппаратов для получения ядерных снарядов является циклотрон (рис. 7а).
Циклотрон представляет собой камеру в форме цилиндра, из которой удален воздух. Камера находится между полюсами огромного электромагнита. Внутри камеры помещены металлические коробки с сечением в виде полукруга (рис. 7б и 7в). Эти коробки, называемые дуантами, располагаются так, что их прямолинейные края отстоят друг от друга на несколько сантиметров. Дуанты присоединяются к мощному источнику тока высокой частоты. Внутрь камеры впускается водород или гелий. Между дуантами находится вольфрамовая нить. Она накаливается и испускает электроны, которые при своем движении вырывают электроны из оболочек атомов газа и ионизируют этот газ. Положительные ионы, образующиеся вблизи вольфрамовой нити, начинают двигаться к отрицательно заряженному дуанту и по инерции проскакивают внутрь него.
Внутри дуантов нет электрического поля, но на летящие ионы действует магнитное поле электромагнита и заставляет их двигаться по окружности, т. е. искривляет путь движения ионов. Это движение продолжается до тех пор, пока ионы не выйдут в пространство между дуантами.
К этому времени дуанты меняют знаки своих зарядов, и ионы снова получают дополнительный толчок, направленный к отрицательному дуанту. Далее они попадают внутрь второго дуанта, но теперь движутся с большей, чем раньше, скоростью и описывают окружность большего радиуса. Затем ионы снова проскакивают в первый дуант и т. д.
Внутри дуантов ионы двигаются по так называемой развертке. Когда ускоренные таким образом ионы достигают наибольшей возможной при данных размерах дуантов скорости, они с помощью отрицательно заряженной пластины меняют свое направление и выводятся из дуантов через окошечко (см. рис. 7б) на облучаемое вещество.
Если в камеру циклотрона впускают газообразный гелий, то получаются гелионы — альфа-частицы, если водород, то протоны, если тяжелый водород (изотоп водорода с массой 2), то дейтроны.
В последнее время в камеры ускоряющих установок стали вводить газы со сравнительно тяжелыми атомами, например азот. Благодаря этому из урана, например, можно получить сразу элемент с порядковым номером 99.
В настоящее время построены сверхмощные ускоряющие установки — синхрофазотроны (рис. 8), которые несколько отличаются по принципу действия от циклотрона и дают возможность сообщать частицам громадную энергию — до 10 миллиардов электрон-вольт. Энергия этих частиц во много раз превышает энергию частиц, получаемых в циклотроне, и в сотни раз энергию частиц природных радиоактивных элементов. При попадании таких частиц в ядро атома последнее претерпевает большие изменения и от него откалываются протоны и нейтроны в большом количестве или «осколки», представляющие собою ядра атомов легких элементов.
На описанных установках можно получать не только быстрые заряженные частицы, но и нейтроны, направляя дейтроны на бериллиевую пластинку. В этом случае происходит следующая реакция:
Большой циклотрон может дать несколько тысяч миллиардов нейтронов в секунду.
С помощью циклотрона и других аппаратов было исследовано большое количество ядерных превращений и получены радиоактивные изотопы всех элементов периодической системы Менделеева.
Большое значение для получения искусственно радиоактивных элементов сыграл урановый ядерный реактор, о котором мы будем говорить позднее.
В настоящее время удалось также получить элементы, которые не найдены в природе и имеют порядковые номера 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астатин) и 87 (франций); а также так называемые трансурановые (стоящие после урана в периодической системе) элементы с порядковыми номерами от 93 до 102.
Излучение искусственно радиоактивных изотопов более разнообразно, чем природных. Большое число их обладает позитронным излучением, распад многих искусственно радиоактивных изотопов сопровождается рентгеновским излучением, которое от гамма-лучей отличается большей длиной волны, а следовательно, и меньшей проникающей способностью.
Большое практическое значение имеют те радиоактивные элементы, период полураспада которых не слишком мал и которые легко могут быть получены. Ниже приведены некоторые искусственные радиоактивные изотопы, используемые при различных исследованиях.
| Таблица некоторых искусственных радиоактивных изотопов, использующихся в практике | ||
|---|---|---|
| Название элемента | Символ изотопа | Период полураспада |
| Водород | 1H3 (T) | 12,41 года |
| Углерод | 6C14 | 5570 лет |
| Натрий | 11Na24 | 14,97 часа |
| Фосфор | 15Р32 | 14,295 дня |
| Сера | 16S35 | 87,1 дня |
| Калий | 19K42 | 12,44 часа |
| Кальций | 20Ca45 | 163 дня |
| Железо | 26Fe59 | 47,1 дня |
| Кобальт | 27Co60 | 5,3 года |
| Медь | 29Cu64 | 12,88 часа |
| Цинк | 30Zn65 | 250 дней |
| Мышьяк | 33As76 | 1,115 дня |
| Бром | 35Br82 | 1,495 дня |
| Серебро | 47Ag110 | 270 дней |
| Иод | 53J131 | 8,14 дня |
| Барий | 56Ва140 | 13,4 дня |
| Вольфрам | 74W185 | 73,2 дня |
| Золото | 79Au198 | 2,697 дня |
Ⅲ. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ
Как известно, ядра всех атомов, за исключением легкого водорода, состоят из нейтронов и протонов. Нейтроны и протоны в ядре прочно связаны друг с другом, поэтому разрушить ядро очень трудно. Тем не менее удается осуществить ядерные реакции, то есть такие реакции, при которых ядра атомов одних химических элементов превращаются в ядра атомов других химических элементов или изотопные ядра. Ядерные реакции осуществляются под действием протонов, нейтронов, дейтронов, альфа-частиц и т. д. В большинстве случаев необходимо, чтобы перечисленные выше частицы имели очень высокую энергию.
Чтобы расщепить ядро атома на протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию. Наоборот, в случае соединения протонов и нейтронов с образованием ядра атома будет происходить выделение энергии. Закон сохранения энергии говорит, что энергия не может исчезнуть и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону энергия, которую необходимо затратить на то, чтобы разложить ядро атома на протоны и нейтроны, равна энергии, выделяющейся при образовании этого ядра из протонов и нейтронов. Такая энергия называется полной энергией связи ядра атома. Если ее разделить на число протонов и нейтронов в ядре, то получится средняя энергия связи нуклона (протона или нейтрона) в ядре, приходящаяся на один нуклон.
Для того чтобы подсчитать энергию связи ядра, можно воспользоваться уравнением Эйнштейна, определяющим взаимосвязь массы и энергии:
(энергия=масса×скорость света×скорость света).
Гению великого русского ученого М. В. Ломоносова принадлежит открытие одного из основных законов природы — закона сохранения веса веществ. По определению Ломоносова вес веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу веществ, получающихся в результате реакции. Однако в процессах, происходящих с веществом, масса может изменяться, но при этом изменяется и запас энергии вещества.
Если мы нагреем тело или, толкнув, заставим его двигаться, то, придавая телу движение, мы увеличим его массу. Наоборот, если тело передает энергию другому телу, то оно само потеряет некоторую массу и эту массу приобретет другое тело. С помощью уравнения взаимосвязи можно подсчитать величину изменения массы вещества при изменении его энергии и, наоборот, величину передаваемой телом внешней среде энергии при изменении массы вещества. Так, если 1 тонну воды нагреть от 0° до 100°, то масса воды вырастет на величину, эквивалентную 100 миллионам калорий, то есть на 0,004 миллиграмма. Изменение массы так мало, что определить его на опыте очень трудно.
Относительное изменение массы при ядерных реакциях велико, поэтому оно может быть определено на опыте. Так, при бомбардировке лития протонами происходит превращение его в гелий по уравнению:
Сумма масс ядра атома лития и протона составляет 8,02634, а масса двух ядер атомов гелия — 8,0078 атомных единиц массы; следовательно, масса продуктов реакции на 0,01854 атомных единиц массы, или 3,07∙10-26 грамма массы, меньше массы исходных ядер атомов лития и водорода. Такая масса эквивалентна 27 миллионным долям эрга[5]. Этой энергией должны обладать ядра атомов гелия. Измерения показывают, что энергия каждого ядра гелия равна 13,6 миллионным долям эрга, а обоих ядер приблизительно 27 миллионным долям эрга, то есть равна энергии, вычисленной по уравнению взаимосвязи массы и энергии.
Смысл современного материалистического понимания закона сохранения материи состоит в том, что материя не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего. Материя вечна. В различного рода процессах она меняет свою форму — из одного вида материи получается другой. Изменение массы материи связано с изменением запаса ее энергии.
Попытки буржуазных ученых использовать взаимосвязь массы и энергии для опровержения основ диалектического материализма — вечности материи — не состоятельны. Они лишь извращают смысл взаимосвязи массы и энергии. Энергия немыслима без материи и материя — без энергии.
Мы видели, что при образовании из ядра атома лития и протона двух ядер атомов гелия выделяется ядерная энергия, равная приблизительно 27 миллионным долям эрга.
Эта кинетическая энергия ядер атомов гелия при их торможении превращается в тепло. Так как 1 грамм лития содержит приблизительно 1023 атомов лития, то при его превращении в гелий под действием протонов выделяется 27∙1017 эргов, или 64 миллиарда калорий тепла.
Однако чтобы произошло образование из атома лития и протона двух атомов гелия, необходимо выстрелить в литий 10 миллионами протонов с энергией протона, равной 6 десятимиллионным долям эрга. Только один из 10 миллионов протонов попадет в цель — ядро атома лития — и вызовет ядерную реакцию, то есть придется затратить энергию в 220 тысяч раз бóльшую, чем та, которая выделяется при реакции. Аналогичные явления происходят и при многих других ядерных реакциях.
Представим себе, что происходит образование ядра атома гелия из двух протонов и двух нейтронов. Физики с большой точностью измерили массы протона и нейтрона: первая равна 1,0076, а вторая— 1,0089 атомных единиц массы. Масса ядра атома гелия, определенная как сумма масс двух протонов и двух нейтронов, должна быть равна 4,0330 атомных единиц массы. Однако на самом деле она равна 4,0023 атомных единиц массы, то есть ядро атома гелия на 0,0302 атомных единиц массы легче массы двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро. Отсюда следует, что при образовании атома гелия из протонов и нейтронов произошло изменение массы и выделилась энергия. Для того чтобы атом гелия вновь превратить в два протона и два нейтрона, необходимо затратить энергию, которая эквивалентна 0,0302 атомной единице массы. Величину этой энергии — энергии связи, можно найти, воспользовавшись уравнением взаимосвязи массы и энергии. Она равна 4,5 стотысячной доли эрга. Легко подсчитать, что при образовании грамма гелия из протонов и нейтронов выделится энергия, эквивалентная 1,62∙1011 калориям тепла, или 190 000 киловатт-часов электроэнергии.
Подобная картина получается и при сравнении масс ядер атомов других элементов с суммой масс входящих в их состав протонов и нейтронов. Эта разность позволяет легко рассчитать энергию связи ядра.
В качестве единицы энергии в атомной физике принят электрон-вольт (эв) — кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении им электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Используются также более крупные единицы: 1 килоэлектрон-вольт (Кэв), равный 1000 эв, и 1 мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный 1 000 000 эв[6]. В лабораторных условиях большая энергия заряженных частиц, необходимая для осуществления ядерных реакций, может быть получена в специальных установках, называемых ускорителями.
Оказывается, что полная энергия связи ядра тем больше, чем больше нуклонов в ядре. Энергия же связи, приходящаяся на один нуклон, изменяется неравномерно, что видно из приводимой ниже таблицы. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше всего у элементов, расположенных в середине периодической системы элементов Менделеева, таких, например, как криптон. У более тяжелых элементов она становится меньше. Она велика у гелия и мала у лития и дейтерия.
| Изотоп | Масса изотопа | Сумма масс нейтронов и протонов[7] | Разность масс | Полная энергия связи в миллионах электрон-вольт | Число нуклонов в ядре | Масса, приходящаяся на 1 нуклон | Средняя энергия связи нуклона в миллионах электрон-вольт |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 1H2 | 2,01470 | 2,01705 | 0,00235 | 2,18 | 2 | 1,00735 | 1,09 |
| 1H3 | 3,01700 | 3,02598 | 0,00898 | 8,33 | 3 | 1,00567 | 2,78 |
| 2Не4 | 4,00390 | 4,03419 | 0,03029 | 28,20 | 4 | 1,00098 | 7,05 |
| 3Li6 | 6,01697 | 6,05131 | 0,3431 | 31,92 | 6 | 1,00283 | 5,32 |
| 5В10 | 10,01618 | 10,08539 | 0,06921 | 64,4 | 10 | 1,00162 | 6,44 |
| 8O16 | 16,0000 | 16,1361 | 0,13661 | 128,16 | 16 | 1,00000 | 8,01 |
| 10Ne20 | 19,99877 | 20,17043 | 0,17186 | 154,4 | 20 | 0,99991 | 7,72 |
| 30Kr82 | 81,939 | 82,695 | 0,756 | 712,58 | 82 | 0,9993 | 8,69 |
| 78Pt196 | 196,039 | 197,690 | 1,651 | 1536,64 | 196 | 1,0002 | 7,84 |
| 93Bi209 | 209,057 | 210,232 | 1,175 | 1623,93 | 209 | 1,0003 | 7,77 |
| 92U235 | 235,109 | 237,024 | 1,915 | 1645,00 | 235 | 1,0004 | 7,00 |
В то же время различна и масса, приходящаяся на нуклон в ядрах различных атомов. Она больше всего у дейтерия, велика у лития, значительна у урана и других тяжелых элементов. Меньше всего значение массы, приходящейся на 1 нуклон, у элементов середины периодической системы элементов Менделеева (атомные веса от 40 до 100).
Если будет происходить процесс перехода ядер атомов элементов с большей массой, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с меньшей массой на один нуклон, то в силу взаимосвязи массы и энергии будет происходить выделение атомной энергии. Эта энергия представляет собой разницу в энергиях связи конечных и исходных ядер, участвующих в ядерной реакции.
Из сказанного выше следует, что для получения атомной энергии можно идти двумя путями: во-первых, превращением легких элементов с большей массой, приходящейся на один нуклон, в элементы с меньшей массой, приходящейся на один нуклон, путем их соединения (синтеза). Примерами таких процессов являются превращение водорода или дейтерия в гелий, соединение ядер лития и протонов с переходом их в ядра гелия и т. п. Второй путь заключается в превращении ядер тяжелых элементов, например урана, в ядра со средней массой, например, в ядра таких элементов, как криптон и барий, или другие пары ядер атомов, сумма зарядов которых равна заряду ядра атома урана 92. Ядро атома урана обладает большей массой на один нуклон, чем ядра атомов элементов середины периодической системы, в частности такие, как криптон и барий.
В этом заключается принципиальная возможность получения атомной энергии. Такого рода процессы были открыты физиками в тридцатых годах двадцатого века. Один из них — превращение лития под действием протонов в гелий — мы уже описывали. В 1939 году был открыт другой — деление ядер атомов урана под действием нейтронов на два «осколка» с близкими массами. Сумма масс «осколков» была приблизительно равна массе делящегося ядра атома урана.
Однако для получения атомной энергии необходимо, чтобы процесс синтеза или распада ядер протекал самопроизвольно, так же как он происходит, например, при горении каменного угля. В угле, подожженном в одном месте, горение распространяется самопроизвольно, переходя от атома к атому.
Кроме условия самопроизвольного распространения ядерных процессов, идущих с выделением энергии, необходимо знать условия возникновения ядерных превращений. Эти условия в результате упорной работы ученых были найдены. В настоящее время процессы синтеза ядер и их распада используются для получения атомной энергии.
В состав звезд и Солнца входит большое количество водорода и гелия. Подсчеты показывают, что Солнце давно потеряло бы свой жар, если бы в нем не существовали процессы, поддерживающие его температуру. Эти процессы могут быть только реакциями синтеза и распада элементов.
Ученые предполагают, что одним из процессов, происходящих на Солнце и звездах, является реакция образования гелия из водорода. Водород, гелий, углерод и азот являются основными элементами, входящими в состав Солнца. Около 50% его состава приходится на водород.
Реакция образования гелия из водорода на Солнце может протекать по следующей схеме. Атом углерода соединяется с протоном и превращается в атом радиоактивного азота:
Атом радиоактивного азота распадается:
Образовавшийся атом углерода с массой 13 вновь соединяется с протоном и превращается в атом азота:
Последний присоединяет к себе еще один протон и дает атом радиоактивного кислорода:
Радиоактивный кислород распадается с образованием атома азота:
Получившийся атом азота с массой 15 снова взаимодействует с протоном с образованием углерода и гелия:
В итоге атом углерода 12 остается без изменений, а из четырех атомов водорода образуются атом гелия и два положительных электрона (позитрона).
Поделиться книгой: