70. Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность.
А). Процесс превращения ядер одних элементов в ядра других называется ядерной реакцией. Ядерные реакции бывают самопроизвольные и искусственные. Примером самопроизвольных ядерных реакций являются реакции радиоактивного распада ( см. тему "Радиоактивность"). Искусственные ядерные реакции возникают при бомбардировке ядер элементов быстрыми элементарными частицами или другими ядрами. Наибольшей эффективностью обладают a-частицы. При ядерных реакциях должны выполняться законы сохранения заряда, массы и энергии.
В 1919 году Резерфорд впервые осуществил ядерные превращения, с помощью которого экспериментально доказал, что в состав атомного ядра входят протоны (1p1). Он бомбардировал a-частицами высокой энергии ядра азота 7N14. Ядерная реакция, осуществленная Резерфордом, такова:
7N14 +2He4=> 8O17+1p1
Элемент 8O17 является изотопом кислорода
Впоследствии ядерные реакции с выделением протонов были осуществлены и путем бомбардировки a-частицами ядер натрия, алюминия, фтора и т.д. Протон - элементарная частица, имеющая следующие характеристики:
|
|
заряд протона q =1.6·10-19 Кл |
|
|
масса протона mp =1а.е.м.=1.6724·10-27 кг |
Ядра всех изотопов ( изотопы- элементы с одинаковым зарядовым числом, но разными массовыми числами) водорода содержат по 1 протону:
|
|
протий-1H1 |
|
|
дейтерий-1H2 |
|
|
тритий-1H3 |
Существование изотопов элементов говорит о наличии в ядрах
незаряженных частиц, которые не изменяют зарядового числа (Z), но изменяют массу ядра. Эти частицы назвали нейтронами (0n1).
Обнаружил нейтроны в 1932 г. Чедвик, осуществив реакцию взаимодействия a-частиц с ядрами бериллия:
4Be9 +2He4 => 6C12 +0n1
Здесь 6C12 - изотоп углерода, 0n1-нейтрон.
Нейтрон является элементарной частицей со следующими характеристиками:
|
|
заряд нейтрона q = 0 (нейтральная частица) |
|
|
масса нейтрона mn= 1.6748·10-27 кг |
Цепная ядерная реакция Реакция деления тяжелых ядер осуществлена впервые на уране 92 U235. Чтобы ядро урана распалось на два осколка, ему сообщается энергия активации ( 1 МэВ). Эту энергию ядро урана получает, захватывая нейтрон (см.рис.). Ядро приходит в возбужденное состояние, деформируется, возникает "перемычка" между частями ядра и под действием кулоновских сил отталкивания происходит деление ядра на два осколка неравной массы. Оба осколка сильно радиоактивны и испускают 2 или 3 вторичных нейтрона. Вторичные нейтроны поглощаются соседними ядрами урана и вызывает их деление. При соответствующих условиях может возникнуть саморазвивающийся процесс массового деления ядер, называемый цепной ядерной реакцией. Такая реакция сопровождается выделением огромной энергии. Например, при полном сгорании 1 г урана выделяется 8.28·1010 Дж энергии. Первую управляемую ядерную реакцию осуществил Ферми (США) в 1942 г. Цепная реакция деления осуществлена в двух формах:
|
|
неуправляемая (атомная бомба) |
|
|
управляемая (ядерный реактор) |
Б). Новый период в развитии ядерной физики начался фундаментальными открытиями. 15 января 1934 г. на заседании Парижской Академии наук Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили об открытии ими нового вида радиоактивности. «Нам удалось доказать методом камеры Вильсона, — сообщали они, — что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их а-частицами полония».
«Испускание положительных электронов некоторыми легкими элементами, подвергнутыми облучению а-луча-ми полония, продолжается в течение некоторого более или менее продолжительного времени после удаления источника а-лучей. В случае бора, например, это время достигает получаса».
Ф. Жолио и И. Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных электронов. «Мы полагаем, —писали они, — что в случае алюминия реакция происходит следующим образом:
Изотоп фосфора 15Р30 является радиоактивным Он обладает периодом полураспада 3 мин 15 с и испускает положительный электрон согласно реакции:
Для бора и магния можно себе представить аналогичные реакции, приводящие к образованию неустойчивых ядер 7N13 и 14Si27. Изотопы 7N13, ,4Si27, ,5P30 не наблюдаются в природе, так как они могут существовать только в течение очень короткого времени». Заканчивая свое короткое сообщение, ф. Жо-лио и И. Кюри писали: «Таким образом в настоящей работе удалось впервые при помощи внешнего воздействия вызвать у некоторых атомных ядер радиоактивность, которая сохраняется в течение измеримого времени в отсутствие вынуждающей причины».
Это было открытие огромной важности. Радиоактивность, которая была присуща некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как-либо изменена человеком. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе. Явление, открытое Жолио-Кюри, получило название «искусственная радиоактивность».
Шведская Академия наук оценила принципиальную важность открытия супругов Жолио-Кюри и присудила им в 1935 г. Нобелевскую премию по химии.
Рис. 81. Приборы И. и Ф. Кюри, с которыми была получена искусственная радиоактивность
Фредерик Жолио, принявший позже фамилию Жолио-Кюри, родился 19 марта 1900 г. в семье скобяного мастера Анри Жолио, участника Парижской Коммуны. С 1908 по 1917 г. он учился в лицее Лаканаль, затем в связи с войной был мобилизован в армию, но в войне участвовать ему не пришлось. Война кончилась, и Жолио получил отсрочку для продолжения образования. Чтобы пополнить знания в области точных наук (лицей Лаканаль был школой гуманитарного типа), Жолио поступил в лицей Лавуазье. Окончив его в 1919 г. первым учеником, он поступил в Парижскую школу физики и химии, где когда-то был профессором Пьер Кюри, а теперь преподавал физику Поль Ланжевен.
По окончании школы Фредерик Жолио работал инженером-практиком на сталелитейных заводах. Однако в связи с окончанием отсрочки он был призван в армию и поступил в артиллерийскую школу в Пуатье. По окончании училища новоиспеченный сублейтенант по рекомендации Ланжевена поступил в препараторы к Марии Кюри в Институт радия. Здесь он встретился со своей будущей женой, дочерью Пьера и Марии Кюри, Ирен. Брак Ирен Кюри и Фредерика Жолио был зарегистрирован 4 октября 1926 г. С тех пор начался их совместный научный и жизненный путь.
Ирен Кюри была старше Фредерика Жолио, она родилась 12 сентября 1897 г. Она закончила Парижский университет в 1920 г. и начала работать в лаборатории матери. К моменту, когда ф. Жолио поступил препаратором в Институт радия (1925), она защитила докторскую диссертацию. Фредерик Жолио-Кюри защитил докторскую диссертацию в 1930 г., на пять лет позже жены. В 1937 г. он стал профессором ядерной химии в Коллеж де Франс, а через 10 лет после смерти Ланжевена — профессором экспериментальной физики. Ирен после смерти матери в 1934 г. стала ее преемницей на кафедре физики в Парижском университете.
В военные годы Фредерик и Ирен Жолио-Кюри были активными участниками движения Сопротивления, а в послевоенные годы активными борцами за мир. В 1942 г., в трудный год войны, Фредерик Жолио-Кюри вступил в Коммунистическую партию франции. Он с 1949 г. и до самой смерти возглавлял Всемирный Совет Мира, был организатором движения сторонников мира. Ирен Жолио-Кюри была членом Всемирного Совета Мира, участником конгрессов сторонников мира.
Под руководством Фредерика Жолио-Кюри 15 декабря 1948 г. был пущен первый французский ядерный реактор. Сам Жолио-Кюри до 1950 г. занимал пост Верховного комиссара по атомной энергии франции. Ирен Жолио-Кюри умерла 17 марта 1956 г. от лучевой болезни. В мае 1958 г. ф. Жолио-Кюри последний раз посетил СССР, встретился со своими друзьями И. В. Курчатовым, Д. В. Скобельцыным и другими советскими физиками, верным другом которых он был всю свою жизнь. Умер ф. Жолио-Кюри 14 августа 1958 г.