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

Да, сами нейтроны ускорять нельзя, но это не так уж и важно. Более того, нейтрон, не притягиваемый и не отталкиваемый электрическим зарядом, попадет в ядро (в случае правильного прицеливания), даже если его кинетическая энергия очень мала.

В 1930-х годах ученые получали потоки нейтронов в результате бомбардировки атомов альфа-частицами. Смесь из источника альфа-частиц и бериллия служила очень удобным источником нейтронов.

Ядро-мишень может присоединить нейтроны, не выделяя при этом никаких частиц. За счет полученной от нейтрона кинетической энергии ядро переходит в возбужденное состояние и просто излучает избыток энергии в виде протона гамма-луча. Это (n, γ)-реакция. При записи такой реакции можно не указывать уровень энергии:

40Cd114 + 0n1 → Cd115 (Уравнение 10.9)

или

Cd114 → (n, γ)Cd115.

Таким образом, для получения изотопов с большим атомным числом нейтрон использовать даже удобнее, чем дейтрон.

Часто образующийся в результате бомбардировки нейтрона изотоп является радиоактивным и распадается, испуская бета-частицу. В результате этого массовое число остается неизменным, однако атомное число увеличивается на единицу. Например, период полураспада бета-излучателя кадмия–115 равняется 45 дням, после чего он превращается в индий–115.

Кадмий-117, образовавшийся в результате бомбардировки нейтронами кадмия–116, последовательно распадается на два других элемента. Кадмий–117 является бета-излучателем с периодом полураспада около трех часов, после чего он становится индием–117. Индий–117 является бета-излучателем с периодом полураспада около двух часов, после чего в результате испускания бета-частицы он превращается в стабильный изотоп олова–117.

В большинстве случаев путем бомбардировки нейтронами можно получить элемент с атомным числом на 1–2 единицы выше исходного. Эффективность такого способа зависит от вероятности (n, γ)-реакции, которая зависит от следующих факторов.

Представьте себе вещество-мишень, площадь которого равняется 1 см и оно содержит N атомных ядер. Предположим, что это вещество бомбардируется I частицами, которые в секунду попадают в A атомных ядер.

Таким образом, площадь попадания альфа-частиц в секунду составляет A/N атомов.

Впрочем, A/N атомов — это результат попадания всех частиц I. Разделив A/N на I, узнаем площадь попадания одной частицы. Размер площади попадания одной частицы называется ядерным сечением и обозначается как σ (греческая «сигма»). Таким образом:

σ = A/NI. (Уравнение 10.10)

В результате такого анализа становится ясно, что для возбуждения реакции бомбардирующая частица должна попасть в определенную зону, σ квадратных сантиметров в диаметре, в центре которой находится ядро-мишень. Значение ядерного сечения, получаемое по формуле 10.10, обычно колеблется в пределах 10-24кв. см. Для удобства физики приняли за 10–24 кв. см за один барн. (По-английски barn — это «амбар». Название возникло в результате утверждения, что по субатомным меркам попасть в зону площадью 10-24 кв. см — все равно что попасть в стену амбара.)

Значение ядерного сечения варьируется в зависимости от свойств ядра-мишени и бомбардирующей частицы. В 1935 году итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) обнаружил, что вероятность ядерной реакции повышается, если бомбардирующие нейтроны проходят сквозь воду или парафин. Другими словами, после того как определенный нейтрон проходит сквозь воду или парафин, для этого нейтрона и конкретного ядра-мишени ядерное сечение увеличивается.

Проходя сквозь воду или парафин, нейтроны сталкиваются с легкими атомами. Эти атомы очень устойчивы и практически не присоединяют дополнительных нейтронов. (Другими словами, ядерное сечение поглощения нейтронов у этих атомов очень мало.) В результате нейтроны от этих атомов отталкивались.

Когда два объекта отталкиваются друг от друга, между ними происходит перераспределение кинетической энергии. Если один объект движется, а второй находится в состоянии покоя, то движущийся объект теряет какое-то количество энергии, а покоящийся — приобретает. Если масса объектов одинакова или почти одинакова, то энергия между ними разделится поровну.

Гораздо проще понять это, если взять вместо мельчайших субатомных частиц обычные предметы. Когда движущийся бильярдный шар сталкивается с шариком для пинг-понга, то, как и в случае столкновения нейтрона и электрона, шарик для пинг-понга отскочит в сторону с огромной скоростью, в то время как бильярдный шар, потеряв совсем немного энергии, продолжит движение в том же направлении. С другой стороны, если движущийся бильярдный шар столкнется с пушечным ядром, то, как и в случае столкновения нейтрона и ядра атома свинца, бильярдный шар отскочит, сохранив энергию, в то время как ядро останется практически нетронутым. Однако когда бильярдный шар сталкивается с бильярдным шаром, то уровень энергии и того и другого станет примерно одинаковым.

Получается, что наиболее эффективно нейтрон тормозится в случае столкновения с ядрами легких атомов, например водорода, бериллия или углерода, что и происходит, когда нейтрон проходит сквозь состоящие из таких атомов вещества, например воду или парафин. Такие вещества выступают в роли замедлителей. В конце концов нейтроны тормозятся до скорости движения содержащихся в атмосфере атомов и молекул под действием температуры (см. ч. I). Такие нейтроны называются тепловыми.

Но почему в результате замедления нейтронов ядерное сечение увеличивается? Давайте вспомним, что нейтроны обладают не только свойствами частиц, но и свойствами волн. В 1920-х годах было доказано, что электроны демонстрируют волновые свойства, как предсказывал Бройль (см. гл. 6), но оставалось неясным, относится ли это к незаряженным частицам. В 1936 году было обнаружено, что, проходя через кристаллы, нейтроны рассеиваются, значит, свойствами частиц и волн обладает любая материя, а не только электрически заряженная.

В процессе торможения частица теряет энергию, что приводит к увеличению длины испускаемой этой частицей волны. Таким образом, в процессе торможения нейтрон становится более «размытым» и «широким». Большой, медленный нейтрон с большей вероятностью попадет в ядро, чем маленький и быстрый, и поэтому с большей вероятностью вызовет ядерную реакцию. Кроме того, медленный нейтрон дольше остается в непосредственной близости с ядром-мишенью, что также увеличивает вероятность ядерной реакции.

Синтетические элементы

Появление в 1930-х годах новых методов стимулирования ядерных реакций привело не только к получению не встречающихся в природе изотопов, но и к созданию не существующих в природе элементов.

В 1930-х годах в таблице элементов с атомными числами от 1 до 92 включительно оставались всего четыре незаполненные клетки — 43, 61, 85 и 87.