Резерфорд и расщепление атома. Деление ядра урана

Расщепление ядра

Открытие изотопов стабильных элементов, уточнение измерений элементарного заряда были первыми достижениями послевоенной физики (1917-1918). В 1919 г. было сделано новое сенсационное открытие - искусственное расщепление ядра. Открытие это было сделано Резерфордом в Кембридже в Кавендишской лаборатории, которую он возглавил в том же, 1919 г.

Резерфорд изучал столкновение а -частиц с легкими атомами. Столкновения а-частицы с ядрами таких атомов должны их ускорять. Так, при ударе а-частицы о ядро водорода оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза, и ядро отбирает у а-частицы 64% ее энергии. Такие ускоренные ядра легко обнаружить по сцинтилляциям, возникающим при ударе их об экран из сернистого цинка. Их действительно наблюдал Марсден в 1914 г.

Резерфорд продолжил опыты Марсдена, но, как он отмечал сам, эти опыты «выполнялись в весьма нерегулярные промежутки времени, поскольку позволяли повседневные занятия и работа, связанная с войной...» «Опыты даже совершенно прекращались на долгое время». Лишь после окончания войны опыты ставились регулярно, и их результаты были опубликованы в 1919 г. в четырех статьях под общим названием «Столкновения а-частиц с легкими атомами».

Прибор, применявшийся Резерфордом для изучения таких столкновений, представлял собой латунную камеру длиной 18 см, высотой 6 см и шириной 2 см. Источником а-частиц служил металлический диск, покрытый активным веществом. Диск помещался внутри камеры и мог устанавливаться на разных расстояниях от экрана из сернистого цинка, на котором наблюдались с помощью микроскопа сцинтилляции.

Камера могла заполняться различными газами (см. рис. 78).

Рис. 78. Масс-спектрограф Демпестера

При впускании сухого кислорода или углекислого газа число сцинтилляций уменьшалось вследствие поглощения а-частиц слоем газа. «Неожиданный эффект, однако, - писал Резер-форд в четвертой статье, - был обнаружен, когда в аппарат был введен сухой воздух. Вместо уменьшения число сцинтилляций увеличилось, и для поглощения, соответствующего приблизительно слою воздуха в 19 см, число их было приблизительно в 2 раза больше, чем то, которое наблюдалось при вакууме. Из этого опыта было ясно, что а-частицы при прохождении через воздух дают начало сцинтилляциям, соответствующим большим длинам пробега, яркость которых для глаза представлялась приблизительно равной яркости Н-сцинтилляций». Так как в кислороде и углекислом газе такого эффекта не наблюдалось, то с большой вероятностью можно было утверждать, что этот эффект обязан своим происхождением азоту.

Камеру заполняли чистым тщательно высушенным азотом. «В чистом азоте число сцинтилляций, соответствующих большому пробегу, было больше, чем в воздухе». Таким образом, «сцинтилляции при большом пробеге, наблюдаемые в воздухе, должны быть приписаны азоту».

Необходимо было, однако, показать, что длиннопробежные а-частицы, вызывающие сцинтилляции, «являются результатами столкновений а-частиц с атомами азота».

Схема первой установки Милликена

Путем многочисленных опытов Ре-зерфорд показал, что это действительно так и что в результате таких столкновений получаются частицы с максимальным пробегом 28 см, таким же, как у Н-атомов. «Из полученных до сих пор результатов, - писал Резерфорд, - трудно избежать заключения, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении а-частиц с азотом, являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой а-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть атома».

Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быстрых а-частиц и впервые высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер атомов. Впоследствии Резерфорд предложил термин «протон» для этой составной части ядра. Резерфорд заканчивал свою статью словами: «Результаты в целом указывают на то, что если а-частицы или подобные им быстро движущиеся частицы с значительно большей энергией могли бы применяться для опытов, то можно было бы обнаружить разрушение ядерных структур многих легких атомов».

3 июня 1920 г. Резерфорд прочитал так называемую Бакерианскую лекцию под названием «Нуклеарное строение атома». Сообщая в этой лекции о результатах своих исследований по столкновению а-частиц с ядрами атомов и о расщеплении ядер азота, Резерфорд, обсуждая природу продуктов расщепления, сделал предположение о возможности существования ядер с массой 3 и 2 и ядер с массой ядра водорода, но с нулевым зарядом. При этом он исходил из гипотезы, высказанной впервые Марией Склодовской-Кюри, что в состав атомного ядра входят электроны.

Резерфорд пишет, что «ему кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне возможными... Подобный атом обладал бы совершенно фантастическими свойствами. Его внешнее поле практически должно равняться нулю, за исключением областей, весьма близко прилегающих к ядру; вследствие этого он должен бы обладать способностью свободно проходить через материю. Существование подобного атома, вероятно, трудно было бы обнаружить спектроскопом, и его нельзя было бы удержать в закрытом сосуде. С другой стороны, он должен был легко входить в структуру атома и либо соединяться с его ядром, либо разгоняться интенсивным полем последнего, давая начало заряженному Н-атому или электрону или тому и другому».

Так была высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого изотопа водорода. Она была высказана на основе предложенной М. Склодовской-Кюри гипотезы, что ядра атомов состоят из ядер водорода (протонов) и электронов.

Это представление немедленно объяснило характеристические ядерные числа А и Z.

Однако такие характеристики ядра, как массовое число А и заряд Z, оказались недостаточными. Еще в 1924 г. до открытия спина В. Паули предположил, что ядро обладает магнитным моментом, влияющим на движение орбитальных электронов и тем самым создающим сверхтонкую структуру спектральных линий. Объяснение тонкой структуры спектров наличием обусловленных спином магнитных моментов ядер привело к разделению ядер на два типа. Ядра четного типа, обладающие целым спином, подчиняются статистике Бозе, ядра нечетного типа, обладающие полуцелым спином, подчиняются статистике ферми - Дирака. Поэтому по протонно-электронной теории ядра, состоящие из четного числа электронов и протонов, должны подчиняться статистике Бозе, из нечетного - статистике ферми - Дирака.

В 1930 г. выяснилось, что ядро азота подчиняется статистике Бозе, хотя оно согласно протонно-электронной теории строения ядра состоит из 21 частицы (14 протонов, 7 электронов). Этот факт получил в науке название азотной катастрофы.

В том же году, когда обнаружилась азотная катастрофа, были опубликованы результаты опытов Л. Мейтнер и Ортмана, подтвердивших результаты опытов Эллиса и Вустера 1927 г. Эти опыты показали, что полная энергия (3-лучей, измеряемая толстостенным микрокалориметром, меньше разности энергий исходного и конечного ядер, т. е. часть энергии, испускаемая ядром при р-распаде, исчезает. Получается вопиющее противоречие с законом сохранения энергии.

Решение проблемы азотной катастрофы и загадки р-спектров было дано на основе представления о существовании в природе нейтральных частиц - тяжелой, названной нейтроном, и легкой - названной по предложению Ферми нейтрино, т. е. маленьким нейтроном.

Из книги Приключения Мистера Томпкинса автора Гамов Георгий

Глава 12 Внутри ядра Следующая лекция, которую посетил мистер Томпкинс, была посвящена внутреннему строению ядра как центра, вокруг которого вращаются атомные электроны.- Леди и джентльмены, - начал профессор. - Все более углубляясь в строение материи, мы попытаемся

Из книги [лекция для школьников] автора Иванов Игорь Пьерович

Удивительный мир внутри атомного ядра

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Удивительный мир внутри атомного ядра

Из книги Нейтрино - призрачная частица атома автора Азимов Айзек

Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел

Из книги Межпланетные путешествия [Полёты в мировое пространство и достижение небесных тел] автора Перельман Яков Исидорович

Строение ядра Хотя вопрос об излучении?-частицы казался окончательно выясненным, поскольку закон сохранения электрического заряда выполнялся, физики продолжали свои исследования. Для них оставалось загадкой, как положительно заряженное ядро способно испускать

Из книги История атомной бомбы автора Мания Хуберт

Отталкивание внутри ядра К 1932 году стало ясно, что ядра состоят исключительно из протонов и нейтронов. От более ранних теорий, которые утверждали, что в ядре находятся электроны, отказались. Хотя это решило сразу много проблем, возник вопрос, которого не было раньше.До сих

Из книги Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра автора Шустов Борис Михайлович

Притяжение внутри ядра Если при рассмотрении атомных ядер пренебречь гравитационными взаимодействиями и учитывать только электромагнитные, трудно объяснить существование ядра. Частицы, из которых оно состоит, не могли бы соединиться из-за колоссальных сил

Из книги Мария Кюри. Радиоактивность и элементы [Самый сокровенный секрет материи] автора Паес Адела Муньос

Открытие атомного ядра Рассмотрим несколько подробнее одно из фундаментальных открытий Резерфорда -открытие атомного ядра и планетарной модели атома. Мы видели, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно

Из книги автора

Протонно-нейтронная модель ядра 28 мая 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко опубликовал в «Nature» заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Он указал, что такая гипотеза решает проблему азотной катастрофы. В

Из книги автора

Внутри ядра Это небывалое путешествие пройдет для пассажиров Жюль-Вернова ядра далеко не так мирно и благополучно, как описано в романе. Не думайте, однако, что опасность грозит им во время путешествия от Земли до Луны. Ничуть! Если бы им удалось остаться живыми к моменту,

Из книги автора

К главе VIII 6. Давление внутри пушечного ядра Для читателей, которые пожелали бы проверить расчеты, упомянутые на стр. 65-й, приводим здесь эти несложные вычисления.Для расчетов нам придется пользоваться лишь двумя формулами ускоренного движения, именно:1) Скорость v в конце

Из книги автора

4.2. Физические характеристики, строение ядра В последнее десятилетие наши знания о кометах и о процессах, происходящих на них, значительно расширились. Резкому повышению интереса к кометам способствовали подготовка и проведение международного космического

Из книги автора

РЕЗЕРФОРД И ОТКРЫТИЕ АТОМНОГО ЯДРА Что же происходило с тем, кто в молодости был хорошим игроком в регби, а затем раньше всех догадался, что атом может распадаться? Эрнест Резерфорд закончил свою американскую «ссылку» в январе 1907 года, через некоторое время после смерти

Часто говорят, что существуют два вида наук – большие науки и малые. Расщепление атома – большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.

Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ – чтобы понять, как устроен атом, – содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина. Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи, разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от “сотворения мира” оставались погребенными в недрах атома.

Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, – ускорители частиц – поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя. Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель, получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring-большое электрон– позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь “на волосок” отличающихся от скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике “высоких энергий”. Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.

Что это за частицы? Некоторые из них – те самые “кирпичики”, из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать “по именам”. Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые – просто числами.

Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.

Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.

Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.

Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто называют “тяжелыми”. Соотношение Эйнштейна Е =mc^ 2 указывает, что масса частицы зависит от ее энергии и, следовательно, от скорости. Движущаяся частица тяжелее покоящейся. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный пример частицы с нулевой массой покоя – фотон. Считается, что электрон – самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.

Электрический заряд частиц меняется в довольно узком диапазоне, но, как мы отмечали, всегда кратен фундаментальной единице заряда. Некоторые частицы, например фотон и нейтрино, не имеют электрического заряда. Если заряд положительно заряженного протона принять за +1, то заряд электрона равен -1.

В гл. 2 мы ввели еще одну характеристику частиц – спин. Он также всегда принимает значения, кратные некоторой фундаментальной единице, которая по историческим причинам выбрана равной 1/2. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны также частицы со спином 0, 3/2 и 2. Фундаментальных частиц со спином больше 2 не обнаружено, и теоретики полагают, что частиц с такими спинами не существует.

Спин частицы – важная характеристика, и в зависимости от его величины все частицы разделяются на два класса. Частицы со спинами 0, 1 и 2 называются “бозонами” – в честь индийского физика Чатьендраната Бозе, а частицы с полуцелым спином (т.е. со спином 1/2 или 3/2 - “фермионами” в честь Энрико Ферми. Принадлежность к одному из этих двух классов является, вероятно, наиболее важной в перечне характеристик частицы.

Другая важная характеристика частицы – ее время жизни. До недавнего времени считалось, что электроны, протоны, фотоны и нейтрино абсолютно стабильны, т.е. имеют бесконечно большое время жизни. Нейтрон остается стабильным, пока он “заперт" в ядре, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23 с. Такие интервалы времени кажутся непостижимо малыми, однако не следует забывать, что частица, летящая со скоростью, близкой к скорости света (а большинство частиц, рождающихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.

Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости. Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно говорят о периоде полураспада частицы – времени, за которое популяция тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. рис. 6) и период полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.

Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует – они стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются андронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами, что означает “легкие”. Познакомимся кратко с каждым из этих семейств.

Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.

Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.

Как этот процесс был открыт и описан. Раскрывается его применение в качестве источника энергии и ядерного оружия.

«Неделимый» атом

Двадцать первый век изобилует такими выражениями, как «энергия атома», «ядерные технологии», «радиоактивные отходы». То и дело в газетных заголовках мелькают сообщения о возможности радиоактивного загрязнения почвы, океанов, льдов Антарктики. Однако обыкновенный человек часто не очень хорошо себе представляет, что это за область науки и как она помогает в повседневной жизни. Начать стоит, пожалуй, с истории. С самого первого вопроса, который задавал сытый и одетый человек, его интересовало, как устроен мир. Как видит глаз, почему слышит ухо, чем вода отличается от камня - вот что исстари волновало мудрецов. Еще в древней Индии и Греции некоторые пытливые умы предположили, что существует минимальная частица (её еще называли «неделимой»), обладающая свойствами материала. Средневековые химики подтвердили догадку мудрецов, и современное определение атома следующее: атом - это наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств.

Части атома

Однако развитие технологии (в частности, фотографии) привело к тому, что атом перестал считаться наименьшей возможной частицей вещества. И хотя отдельно взятый атом электронейтрален, ученые достаточно быстро поняли: он состоит из двух частей с разными зарядами. Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения.

Модели атома

Поначалу была предложена модель «булка с изюмом». Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом (ядро), а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов (оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома). Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки.

Атом и радиоактивность

Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро - это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности - деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений (как, например, квант Макса Планка). Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос.

Заряд радиоактивного излучения

Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие - положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда.

Строение ядра

Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами (от английского «nucleus», ядро). Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра (то есть количество нуклонов) не всегда соответствовала его заряду. У водорода ядро имеет заряд +1, а масса может быть и три, и два, и один. У следующего за ним в периодической таблице гелия заряд ядра +2, при этом его ядро содержит от 4 до 6 нуклонов. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Если в ядре 2, 4, 8, 50 нейтронов и/или протонов, то ядро однозначно будет устойчивым. Эти числа даже называют магическими (и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики). Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов.

Капля, оболочка, кристалл

Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро - это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро - среда, которая способна преломлять особые волны (дебройлевские), при этом коэффициент преломления - это Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра.

Каким бывает распад

Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой - от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами (ядрами гелия) с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается.

Энергия атома

Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами - пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается. Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса - это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра - это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Напомним, формула гласит: энергия и масса могут превращаться друг в друга (E=mc 2).

Теория и практика

Теперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц (электроны, протоны, альфа-частицы). Однако конечный выход энергии подсчитывается согласно закону сохранения: Е1+Е2=Е3+Е4. То есть полная энергия исходного ядра и частицы (Е1+Е2) должно быть равным энергии получившегося ядра и выделившейся в свободном виде энергии (Е3+Е4). Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада. Например, для урана U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы. То есть при распаде урана получается радиоактивный торий. Торий способен распасться до протактиния, тот - до актиния, и так далее. Радиоактивными в этом ряду могут быть и висмут, и титан. Даже водород, содержащий в ядре два протона (при норме один протон), называется иначе - дейтерий. Вода, образованная с таким водородом, называется тяжелой и заполняет первый контур в ядерных реакторах.

Немирный атом

Такие выражения, как «гонка вооружений», «холодная война», «ядерная угроза» современному человеку могут показаться историческими и неактуальными. Но когда-то каждый выпуск новостей почти по всему миру сопровождался репортажами о том, сколько изобретено видов ядерного оружия и как надо с этим бороться. Люди строили подземные бункеры и делали запасы на случай ядерной зимы. Целые семьи работали на создание убежища. Даже мирное использование реакций деления ядер может привести к катастрофе. Казалось бы, Чернобыль научил человечество аккуратности в этой сфере, но стихия планеты оказалась сильнее: землетрясение в Японии повредило весьма надежные укрепления АЭС «Фукусима». Энергию ядерной реакции использовать для разрушения гораздо легче. Технологам необходимо лишь ограничить силу взрыва, чтобы не разрушить ненароком всю планету. Наиболее «гуманные» бомбы, если их можно так назвать, не загрязняют окрестности радиацией. В целом чаще всего они используют неконтролируемую цепную реакцию. То, чего на атомных электростанциях стремятся всеми силами избежать, в бомбах добиваются весьма примитивным способом. Для любого естественно радиоактивного элемента существует некоторая критическая масса чистого вещества, в котором цепная реакция зарождается сама собой. Для урана, например, это всего пятьдесят килограммов. Так как уран очень тяжелый, это лишь небольшой металлический шарик 12-15 сантиметров в диаметре. Первые атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были сделаны именно по такому принципу: две неравные части чистого урана просто соединялись и порождали ужасающий взрыв. Современное оружие, вероятно, более сложное. Однако про критическую массу не стоит забывать: между небольшими объемами чистого радиоактивного вещества при хранении должны быть преграды, не позволяющие соединиться частям.

Источники радиации

Все элементы с зарядом атомного ядра больше 82 радиоактивны. Почти все более легкие химические элементы обладают радиоактивными изотопами. Чем тяжелее ядро, тем меньше его время жизни. Некоторые элементы (типа калифорния) можно добыть только искусственным путем - сталкивая тяжелые атомы с более легкими частицами, чаще всего на ускорителях. Так как они очень нестабильны, в земной коре их нет: при формировании планеты они очень быстро распались на другие элементы. Вещества с более легкими ядрами, например уран, вполне можно добывать. Процесс этот долгий, пригодного к добыче урана даже в очень богатых рудах содержится менее одного процента. Третий путь, пожалуй, указывает на то, что новая геологическая эпоха уже началась. Это добыча радиоактивных элементов из радиоактивных отходов. После отработки топлива на электростанции, на подлодке или авианосце, получается смесь исходного урана и конечного вещества, результата деления. На данный момент это считается твердыми радиоактивными отходами и стоит острый вопрос, как их захоранивать так, чтобы они не загрязнили окружающую среду. Однако есть вероятность, что в недалеком будущем уже готовые концентрированные радиоактивные вещества (к примеру, полоний), будут добывать из этих отходов.

Расщепление ядер атомов различных элементов используется в настоящее время достаточно широко. На реакции расщепления работают все ядерные электростанции, на этой реакции основан принцип действия всего ядерного оружия. В случае управляемой или цепной реакции, атом, разделившись на части, больше не может соединиться назад и вернуться в свое исходное состояние. Но, используя принципы и законы квантовой механики ученым удалось расщепить атом на две половинки и соединить их снова, не нарушив целостности самого атома.

Ученые из Боннского университета использовали принцип квантовой неопределенности, который позволяет объектам существовать сразу в нескольких состояниях. В эксперименте, с помощью некоторых физических уловок, ученые заставили единственный атом существовать сразу в двух местах, расстояние между которыми составляло чуть больше одной сотой миллиметра, что в атомном масштабе является просто огромным расстоянием.

Такие квантовые эффекты могут проявляться только при чрезвычайно низких температурах. Атом цезия с помощью света лазера был охлажден до температуры в одну десятую одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Охлажденный атом затем удерживался в оптической ловушке луча света другого лазера.

Известно, что ядро атома может вращаться в одном из двух направлений, в зависимости от направления вращения свет лазера толкает ядро вправо или влево. "Но у атома, в определенном квантовом состоянии может быть "раздвоение личности", одна его половина вращается в одну сторону, другая - в обратную. Но, при этом, атом все еще является целым объектом" - рассказывает ученый-физик Андреас Штеффен. Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента.

Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации. Атом вещества разделяется на половинки, которые разводятся в стороны, пока не войдут в соприкосновение со смежными атомами. Образуется нечто вроде полотна дороги, пролет, соединяющий два столба моста, по которому может быть передана информация. Это возможно благодаря тому, что разделенный таким образом атом продолжает оставаться единым целым на квантовом уровне из-за того, что части атома запутаны на квантовом уровне.

Ученые Боннского университета собираются использовать такую технологию для моделирования и создания сложных квантовых систем. "Атом для нас является чем-то вроде хорошо смазанной шестеренки" - рассказывает доктор Андреа Альберти (Dr Andrea Alberti), руководитель группы ученых. - "Используя множество таких шестеренок можно создавать квантовое счетно-решающее устройство с характеристиками, намного превосходящими характеристики самых совершенных компьютеров. Надо только уметь правильно расположить и соединить эти шестеренки".