Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Поэтому сейчас принимаются усилия по строительству линейных ускорителей с длиной, достаточной (сейчас планируется строительство 3,5-километрового ускорителя) для ускорения электронов до 20 000 Мэв.

У синхроциклотрона есть один практический недостаток. Во время движения от центра к выходу частица описывает круги все большего и большего радиуса, поэтому необходимо использовать магниты, достаточные для покрытия максимального радиуса. Эти огромные магниты как раз и были узким местом при строительстве больших синхроциклотронов.

Поэтому целесообразнее было подстраивать интенсивность магнитного поля так, чтобы протоны двигались по кругу, а не по спирали. При такой «жесткой фокусировке» протоны двигаются максимально плотным и узким лучом. Построенные по такому принципу устройства получили названия протонные (и электронные) синхротроны.

К 1952 году были построены протонные синхротроны, способные разгонять частицы до нескольких Бэв. Такой синхротрон, способный испускать частицы с уровнем энергии до 6,2 Бэв, есть у университета штата Калифорния, и называется он бэватрон,

В 1960-х годах были построены два огромных ускорители с жесткой фокусировкой (один в Женеве, второй в Брукхейвене, Лонг-Айленд). Эти ускорители способны разгонять протоны до 30 Бэв и выше. Планируется построить и еще большие, поистине колоссальные по размерам ускорители. Самые большие из существующих ускорителей равны в диаметре трем городским кварталам.

Глава 10.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Радиоизотопы

Первые атомные ядра, полученные путем искусственного превращения, были ядрами существующих в природе стабильных элементов. Например, Резерфорд получил кислород–17, а Кокрофт и Уолтон — гелий–47.

Однако в 1934 году французскому физику Фредерику Жолио (1900–1958) и его жене, Ирен Жолио-Кюри (1897–1956), дочери первооткрывателей радия Пьера и Марии Кюри, удалось получить и другие элементы.

Жолио-Кюри продолжили начатую еще Резерфордом работу по бомбардировке альфа-частицами атомных ядер различных элементов. Они обнаружили, что при бомбардировке атомных ядер атомов алюминия возникает нейтронно-протонное излучение, которое после прекращения бомбардировки сразу же пропадает. Было и еще одно излучение[135], которое после прекращения бомбардировки исчезало постепенно, с периодом полураспада, равным 2,6 минуты. Очевидно, в атомах алюминия присутствует что-то, что в результате бомбардировки альфа-частицами делает их радиоактивными.

Следующая формула описывает, что происходит, когда атом алюминия–27 поглощает альфа-частицу и излучает протон:

18Аl27 + 2He4 → 14Si80 + 1H1 (Уравнение 10.1) или

Аl27 (α, p)Si80.

Кремний–30 — это стабильный изотоп, относительное содержание которого в кремнии всего лишь 3%.

При бомбардировке альфа-частицами атомы алюминия испускают нейтроны. Должно быть, имеет место реакция, в процессе которой ядро-мишень алюминия поглощает альфа-частицу и испускает нейтрон, получая в обшей сложности 2 протона и 1 нейтрон. При такой (α, p)-реакции атомное число возрастает на два, а не на один, и алюминий становится фосфором, а не кремнием. Запишем формулу:

18Al27 + 2Не4 → 15P30 + 0n1 (Уравнение 10.2) или

Аl27 (α, p)Р30.

Однако встречающийся в природе фосфор состоит лишь из одного изотопа — фосфора–31. Другие изотопы фосфора неизвестны, значит, если в ходе ядерной реакции синтезируется другой изотоп фосфора, то он будет радиоактивным. Именно из-за радиоактивности (и короткого периода полураспада) такой изотоп не встречается в природе.

Супруги Жолио-Кюри доказали присутствие радиоактивного фосфора, расплавив алюминий и подвергнув его реакциям, в ходе которых любой изотоп фосфора либо улетучится в виде газообразного соединения, либо выпадет в виде твердого осадка. Образовавшиеся газ и осадок проявляли радиоактивные свойства.

Фосфор–30 стал первым синтезированным в лабораторных условиях и не встречающимся в природе изотопом, а его радиоактивные свойства — первым примером искусственной радиоактивности.

Первым и далеко не единственным. В последующие годы в ходе лабораторных ядерных реакций были получены более тысячи искусственных изотопов. Так как все эти изотопы являются радиоактивными, их часто называют радиоизотопами.

Ученым удалось получить радиоизотоп каждого устойчивого элемента, а иногда даже несколько радиоизотопов. Например, у цезия, состоящего всего лишь из одного стабильного изотопа (цезий–133), таких радиоизотопов целых 20 с массовыми числами от 123 до 148.

Периоды полураспада всех полученных изотопов слишком малы, и они не могли сохраниться в земной коре с момента образования планеты до наших дней. Конечно же по человеческим меркам периоды полураспада некоторых из них довольно длинные (период полураспада цезия–135 равняется 2 000 000 лет), но в планетарных масштабах они все равно слишком малы.

Возможно, во время образования Солнечной системы существовали атомные ядра всех мыслимых составов. Выжили же лишь устойчивые и слаборадиоактивные (например, калий–40 и уран–238). И действительно, все стабильные и слаборадиоактивные изотопы, которые могут существовать, на Земле существуют. Шансы обнаружить какой-либо еще стабильный или слаборадиоактивный изотоп практически равны нулю.

Может быть, изотопы, период полураспада которых меньше 500 000 000 лет, также существовали, но впоследствии они распались и исчезли: какие-то из них быстро, какие-то медленно. Сегодня благодаря труду ученых они возродились.

Использование изотопов в биохимии

Как только физики научились изолировать редкие изотопы и синтезировать новые, стало возможным создавать на их основе химические соединения. Если найти достаточно дешевый способ получения таких изотопов, то в химических экспериментах можно будет использовать большое количество соединений на их основе.

Первым используемым в «крупномасштабных» химических экспериментах стал стабильный водород–2, получаемый из «тяжелой воды» (см. гл. 8).

Путем органических химических реакций из тяжелой воды можно получить и другие химические соединения, молекулы которых содержат один или несколько атомов водорода–2. Если такие соединения вступают в химические реакции, то их можно определить, изолировав продукты реакции и выяснив, какие из них содержат водород–2. Химические соединения с содержанием редкого изотопа выше нормы называются мечеными соединениями, а атомы такого изотопа — индикаторами.