<- | Страница 21 | ->
скорость; но если удар воспринят протоном, масса которого приблизительно равна массе нейтрона, то протон полетит вперед, получив значительную часть начальной скорости нейтрона, который сам соответственно замедлится. Можно обнаружить при этом атомы отдачи, образовавшиеся в результате этих столкновений, так как они заряжены и вызывают ионизацию.
Отсутствие электрического заряда у нейтрона затрудняет не только его обнаружение, но и управление им. Заряженные частицы могут быть ускорены, замедлены или отклонены электрическим или магнитным полями; на нейтроны же последние совершенно не действуют. Свободные нейтроны могут быть получены только в результате распада атомных ядер; естественного источника их нет. Единственный способ управления свободными нейтронами поставить на их пути ядра, которые будут их замедлять и отклонять или поглощать при столкновениях. Как мы увидим, эти явления имеют величайшее практическое значение.
1.21. В 1932 г. был открыт не только нейтрон, но также и позитрон. Позитрон впервые наблюдался К.Д. Андерсоном в Технологическом институте в Калифорнии. Масса его равна массе электрона, заряд по абсолютной величине такой же, как и у электрона, но имеет положительный знак.
Позитрон для нас интересен лишь как частица, испускаемая искусственными радиоактивными ядрами.
1.22. 1932 год был отмечен также другим важным открытием. Г.К. Юри, Ф.Г. Брикуэдде и Дж.М. Мерфи обнаружили у водорода изотоп с массовым числом 2, содержащийся в естественном водороде в количестве 1:5000. Благодаря особому значению этого тяжелого изотопа водорода, ему дали специальное название "дейтерий", а соответствующее ядро назвали дейтроном. Подобно α-частице, дейтрон не является одной из основных частиц, но он играет важную роль в некоторых процессах, вызывающих распад ядра.
1.23. Все элементы состоят из нескольких основных частиц мысль уже не новая. Теперь это твердо установлено. Мы считаем, что существуют три основные частицы нейтрон, протон и электрон
<- | Страница 22 | ->
В фундаментальных работах обычно рассматривают еще позитрон, о котором мы уже упоминали, нейтрино и мезотрон. Дейтрон и α-частица о них мы уже тоже говорили являются сложными частицами, играющими важную роль.
1.24. Согласно нашим современным взглядам, ядра всех атомов состоят из нейтронов и протонов. Число протонов равно атомному номеру Z. Число нейтронов, N, равно разности между массовым числом и атомным номером, т.е. А-Z.
Существуют два вида сил, действующих на эти частицы: обычные кулоновские силы электрического отталкивания между положительными зарядами и силы притяжения между всеми частицами, действующие на очень малых расстояниях. Последние силы не вполне изучены, и мы не будем пытаться рассматривать их. Достаточно сказать, что результирующее действие этих сил притяжения и отталкивания таково, что устойчивы только некоторые комбинации нейтронов и протонов. Если число нейтронов и протонов невелико, то комбинация устойчива, когда их количества примерно равны. Для больших ядер относительное число нейтронов. необходимых для устойчивости, больше. Наконец, в конце периодической таблицы, где число протонов свыше 90 и число нейтронов около 150, не существует вполне устойчивых ядер. (Некоторые из тяжелых ядер почти устойчивы, что подтверждается их очень большими периодами полураспада). Если искусственно образовать неустойчивое ядро путем добавления лишнего нейтрона или протона, то, в конце концов, происходит превращение, приводящее к устойчивому ядру. Как ни странно, это превращение сопровождается выбрасыванием не протона или нейтрона, а позитрона или электрона; повидимому, внутри ядра протон превращается в нейтрон и позитрон (или нейтрон превращается в протон и электрон), а легкая заряженная частица выбрасывается. Другими словами, массовое число остается тем же самым, но атомный номер меняется. Условия устойчивости не очень строги, так что для данного массового числа, т.е. для данного общего числа протонов и нейтронов, может существовать несколько устойчивых расположений протонов и нейтронов (максимум три или пять), дающих несколько изобар. Для данного атомного номера, т.е. для данного числа протонов, условия могут варьироваться в еще более широких пределах, так что некоторые
<- | Страница 23 | ->
из тяжелых элементов имеют десять или двенадцать устойчивых изотопов. Известно около двухсот пятидесяти различных устойчивых ядер, для которых массовое число колеблется от единицы до двухсот тридцати восьми, а атомный номер от единицы до девяносто двух.
1.25. Все высказанные нами утверждения основаны на экспериментальных данных. Теория ядерных сил пока не завершена, но на основе принципов квантовой механики она была развита настолько, чтобы с ее помощью можно было объяснить не только описанные выше наблюдения, но и более подробные эмпирические данные об искусственной радиоактивности и о различиях между ядрами с четными и нечетными массовыми числами.
1.26. Выше мы упоминали об испускании позитронов или электронов ядрами, стремящимися к устойчивости. Испускание электронов (β-лучей) уже было известно из изучения естественных радиоактивных веществ, но испускания позитронов для таких веществ обнаружено не было. В действительности, общие рассуждения, изложенные выше, были основаны частично на данных, которые выходят за рамки настоящего отчета. Однако, мы дадим краткое описание открытия "искусственной" радиоактивности и того, что мы о ней знаем.
1.27. В 1934 г. Кюри и Жолио сообщили о том, что некоторые легкие элементы (бор, магний, алюминий), подвергнутые бомбардировке α-частицами, в течение известного времени продолжали испускать позитроны после того, как бомбардировка была прекращена. Другими словами, в результате бомбардировки α-частицами бор, магний и алюминий становились радиоактивными. Кюри и Жолио измерили периоды полураспада радиоактивных веществ, образовавшихся под действием α-частиц; они оказались равными 14 минутам, 2,5 минутам и 3,25 минутам соответственно.
1.28. Результаты, полученные Кюри и Жолио, послужили стимулом для проведения подобных опытов во всем мире. В частности, Э. Ферми пришел к выводу, что нейтроны, благодаря отсутствию у них заряда, должны, сравнительно легко проникать и внутрь тех ядер, которые имеют высокие атомные номера и в сильной степени отталкивают протоны и α-частицы. Свое предположение
<- | Страница 24 | ->
он смог почти сразу подтвердить, обнаружив, что ядро атома, подвергшегося бомбардировке, захватывало нейтрон и что таким образом получалось неустойчивое ядро, которое затем приходило в устойчивое состояние путем испускания электрона. Следовательно, конечное устойчивое ядро имело массовое число на единицу выше, а также атомный номер на единицу выше, чем первоначальное ядро-мишень.
1.29. В результате множества опытов, проведенных с 1934 г. мы можем теперь получать радиоактивные изотопы почти каждого элемента периодической таблицы. Некоторые из них возвращаются к устойчивому состоянию испусканием позитронов, некоторые испусканием электронов, некоторые при помощи процесса, известного под названием захвата K-электрона, которого мы рассматривать не будем, и небольшое число ядер (вероятно три) становятся снова устойчивыми благодаря испусканию α-частицы. Всего наблюдалось примерно пятьсот неустойчивых ядерных видов, и в большинстве случаев их атомные номера и массовые числа были установлены.
1.30. Искусственные радиоактивные элементы играют важную роль не только в осуществлении всего проекта, в котором мы заинтересованы, их будущее значение в медицине, в химии "меченых атомов" и во многих других областях научно-исследовательской работы вряд ли можно переоценить.
1.31. При описании радиоактивности и строения атома мы умышленно умолчали о количественных данных и не упомянули о приложениях принципа эквивалентности массы и энергии, который мы провозгласили руководящим принципом настоящего отчета. Теперь пришло время сказать не только об общих принципах, но и о количественных деталях.
1.32. Мы уже говорили об устойчивых и неустойчивых ядрах, состоящих из совокупности протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Для разрушения устойчивой системы необходимо произвести работу это общий физический принцип. Так, если группа нейтронов и протонов устойчива, на разделение
<- | Страница 25 | ->
составляющих ее частиц должна быть затрачена энергия. Если действительно энергия и масса эквивалентны, то общая масса устойчивого ядра должна быть меньше общей массы отдельных протонов и нейтронов, которые его составляют. Эта разность масс должна быть эквивалентна энергии, необходимой для полного разрушения ядра и называемой энергией связи. Вспомним, что массы всех ядер являются "приблизительно" целыми числами; небольшие отличия от целых чисел играют большую роль.
1.33. Возьмем, например, α-частицу; она устойчива. Так как ее массовое число четыре, а атомный номер два, то она состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона 1,00758, масса нейтрона 1,00893 (см. Приложение 2), так что общая масса отдельных компонент ядра гелия равна
2 * 1,00758 + 2 * 1,00893 = 4,03302,
тогда как масса самого ядра гелия 4,00280. Пренебрегая двумя последними знаками, мы получим числа 4,033 и 4,003 с разностью в 0,030 единицы массы. Эта разность и выражает "энергию связи" протонов и нейтронов в ядре гелия. Она кажется малой, но, обращаясь к уравнению Эйнштейна,
1.34. Очевидно, стоит изучать возможность получения энергии путем соединения протонов и нейтронов или превращения ядра одного вида в другое. Приступим теперь к обзору современных знаний об энергиях связи различных ядер.
1.35. Определение химического атомного веса дает средний атомный вес большого числа атомов данного элемента. Если элемент обладает не одним изотопом, то химический атомный вес непропорционален массе отдельных атомов. Масс-спектрограф, построенный
<- | Страница 26 | ->
Ф.В. Астоном и другими на основе более раннего прибора Дж.Дж. Томсона, измеряет массы отдельных изотопов. Именно этими измерениями оыло доказано существование изотопов и показано, что на шкале атомных весов массы всех видов атомов очень близки к целым числам. Эти целые числа, найденные экспериментально, являются массовыми числами, которые мы определили выше и которые представляют собою суммы количеств протонов и нейтронов; их открытие значительно содействовало укреплению мысли о том, что все ядра суть комбинации нейтронов и протонов.
1.36. Результаты, полученные с помощью усовершенствованного масс-спектрографа для нескольких случаев ядерных реакций, дают точные величины энергий связи для многих видов атомов во всем диапазоне атомных масс. Эта энергия связи, В, пропорциональна разности между истинной массой ядра, М, и суммой масс всех нейтронов и протонов в ядре. Мы имеем
В = (ZMp + NMn) - M
где Mp и Mn соответственно, массы протона и нейтрона, Z количество протонов, N = А - Z количество нейтронов и М истинная масса ядра. Изучение энергии связи, приходящейся на одну частицу, В/А, представляет больший интерес, чем изучение самого В. Такое изучение показывает, что, если оставить в стороне вопрос о колебаниях в легких ядрах, энергия связи на частицу имеет тенденцию к быстрому возрастанию до плоского максимума в окрестности А = 60 (никель) и затем опять к постепенному уменьшению. Очевидно, ядра в средней части периодической таблицы (ядра с массовыми числами от 40 до 100) связаны сильнее всего. В ядерных реакциях, при которых частицы результирующего ядра связаны сильнее, чем частицы первоначального ядра, энергия будет выделяться. Говоря на языке термохимии. такие реакции будут экзотермическими. Таким образом, вообще, можно получить выигрыш энергии путем комбинации легких ядер для образования более тяжелых, или путем расщепления очень тяжелых ядер на два или три меньшие осколка. Кроме того, существует несколько особых случаев экзотермических распадов ядра; это относится к первым десяти или двенадцати элементам
<- | Страница 27 | ->
периодической таблицы, где энергия связи на частицу изменяется неравномерно от одного элемента к другому.
1.37. До сих пор мы, как будто, нагромождали одно предположение на другое. Сперва мы приняли, что масса и энергия эквивалентны; теперь мы предполагаем, что атомные ядра можно перегруппировать с последующим уменьшением их общей массы; при этом освобождается энергия, которая может быть использована. Сейчас уместно будет поговорить о некоторых экспериментах, убедивших физиков в справедливости этих положений.
1.38. Как мы уже сказали, работы Резерфорда в 1919 г. по искусственному расщеплению ядер были продолжены множеством аналогичных экспериментов. Постепенное усовершенствование высоковольтной техники позволило заменить естественные α-частицы искусственно получаемыми быстрыми ионами водорода или гелия. Дж.Д. Кокрофту и Э.Т.С. Уолтону в лаборатории Резерфорда первым удалось осуществить ядерные превращения подобными методами. В 1932 г. они бомбардировали мишень лития протонами с энергией в 700 kV и обнаружили, что в результате бомбардировки из мишени выбрасывались α-частицы. Ядерную реакцию, которая при этом имела место, можно записать символически следующим образом:
3Li7 + 1H1 > 2He4 + 2He4,
где нижние индексы представляют положительные заряды ядер (атомные номера), а верхние индексы количества протонов и нейтронов в ядрах (массовые числа). Как и в химическом уравнении, сумма количеств в левой части должна быть равна сумме количеств в правой части; таким образом сумма нижних индексов 4 и сумма верхних индексов 8 для обеих частей в отдельности одна и та же.
1.39. В это уравнение не вошли ни масса, ни энергия. Ударяющий протон и результирующие α-частицы обладают каждая кинетической энергией. Масса двух α-частиц не в точности равна сумме масс протона и атома лития. Сумма массы и энергии должна оставаться постоянной до и после реакции. Массы были найдены из массовых спектров. Слева (Li7 + H1) они составили в сумме 8.0241, справа (2He4) 8,0056, так что 0,0185 единицы массы
<- | Страница 28 | ->
в процессе реакции исчезли. Экспериментально определенные энергии α-частиц дали приблизительно 8,5 миллионов eV (электрон-вольт) каждая; в сравнении с этой величиной кинетической энергией ударяющего протона можно пренебречь. Таким образом 0,0185 единицы массы исчезло, а 17 MeV кинетической энергии появилось. Но 0,0185 единицы массы равно 3,07*10-26 г, 17 MeV равны 27,2*10-6 эрг, а c равно 3*1010 см/сек (см. Приложение 2). Если мы подставим эти величины в уравнение Эйнштейна,
1.40. Кокрофт и Уолтон получали протоны с достаточно большой энергией путем ионизации газообразного водорода и последующего ускорения ионов высоковольтной установкой с трансформатором и выпрямителем. Подобный же метод можно использовать для получения дейтронов с большой энергией из дейтерия или α-частиц с большой энергией из гелия. Более высокие значения энергии могут быть получены путем ускорения ионов в циклотронах или в генераторах Ван-де-Граафа. Однако, для получения излучения с большой энергией или что важнее всего нейтронов, в качестве источников необходимо пользоваться самими ядерными реакциями. Излучения достаточно высокой энергии испускаются некоторыми естественными радиоактивными элементами или при некоторых случаях бомбардировки. Нейтроны обычно получаются бомбардировкой бериллия или бора естественными α-частицами или бомбардировкой подходящих мишеней протонами или дейтронами. Самым обычным источником нейтронов является смесь радия и бериллия, где α-частицы радия и продуктов его распада проникают в ядра Ве9, которые затем отдают нейтроны и превращаются в устойчивые ядра С13 (обыкновенный углерод). Для получения нейтронов часто используют удары быстро движущихся дейтронов о лед из "тяжелой" воды. Здесь
<- | Страница 29 | ->
дейтроны, летящие с большой скоростью, ударяют в дейтроны мишени и вызывают появление нейтронов и ядер Не3. Применяется также полдюжина других реакций, в которых в качестве мишени участвуют дейтерий, литий, бериллий или бор. Заметим, что во всех этих реакциях общее массовое число и общее число зарядов не меняются.
1.41. Итак, агентами, оказавшимися способными вызывать ядерные реакции, являются следующие (в примерном порядке их важности); нейтроны, дейтроны, протоны, α-частицы, γ-лучи и, в редких случаях, более тяжелые частицы.
1.42. Большинство атомных ядер может допускать проникновение атомных частиц по меньшей мере одного типа (или γ-излучения). Каждое такое проникновение может вызвать перегруппировку ядра, во время которой выбрасывается основная частица (протон или нейтрон) или происходит излучение, либо осуществляется то и другое. Получившееся в результате ядро может оказаться одним из естественных устойчивых видов или, что более вероятно, атомом иного типа, который радиоактивен и превращается в новое ядро. Это последнее, в свою очередь, может быть радиоактивным и в этом случае опять будет распадаться. Процесс продолжается до тех пор, пока все ядра не превратятся в устойчивые. Искусственные радиоактивные вещества отличаются от естественных в двух отношениях: многие из них испускают позитроны (неизвестные в естественной радиоактивности) и очень немногие испускают α-частицы. Во всех случаях, когда производились точные измерения, была доказана эквивалентность массы и энергии и постоянство общей суммы массы-энергии. (Иногда для сохранения массы-энергии необходимо привлечь для рассмотрения нейтрино).
1.43. Полное описание ядерной реакции должно включать: природу, массу и энергию ударяющей частицы, затем природу (массовое число и атомный номер), массу и энергию (обычно нулевую) частицы-мишени, далее, природу, массу и энергию выброшенной частицы (или излучения) и, наконец, природу, массу и
<- | Страница 30 | ->
энергию остатка. Но все это редко известно, и для многих целей полное описание не является необходимым. Часто для ядерной реакции пользуются обозначением, в котором сперва обозначена мишень химическим символом и массовым числом (если оно известно), затем частица, служащая для бомбардировки в качестве снаряда, далее, частица, которая выбрасывается ,и, наконец, остаток. По этой схеме нейтрон обозначается буквой n, протон буквой p, дейтрон d, α-частица α и γ-лучи γ. Таким образом радие-бериллиевая нейтронная реакция может быть записана так: Be9(d, n)C12, а дейтрон-дейтронная реакция так: Н2(d,n)He3.
1.44. Рассматривая пять различных частиц (n, p, d, α, γ) как в качестве снарядов, так и в качестве испускаемых частиц, мы можем ожидать осуществления двадцати пяти возможных сочетаний. В действительности же дейтрон в качестве продукта реакции встречается очень редко, а фотон вызывает реакции только двух типов. Существует, однако, несколько других типов реакций, такие как (n, 2n), (d, H2) и деление, которые доводят общее количество известных типов до приблизительно двадцати пяти. Стоит особо упомянуть о реакции (n, γ), так как она весьма важна в одном процессе, который будет нас особенно интересевать. Она часто называется реакцией радиационного захвата, так как нейтрон остается в ядре, и испускается лишь γ-излучение.
1.45. До сих пор ничего не было сказано о вероятности ядерных реакций. В действительности, вероятность меняется в широких пределах. Нет никакой гарантии того, что нейтрон или протон, направленный в ядро, проникнет внутрь него. Это зависит от ядра и от ударяющей частицы. В ядерной физике вероятность какого-нибудь события принято выражать при помощи "поперечного сечения". Статистически, центры атомов в тонком слое можно рассматривать как точки, равномерно распределенные по плоскости. Частица, направленная в атом, ударяясь в эту плоскость. имеет определенную геометрическую вероятность того. что центр ее пройдет внутри круга радиуса к с центром в какой-нибудь из этих точек. Если на площади А плоскости имеется n