Владимир Мезенцев - Рассказ о строении вещества

Например, ядро устойчивого, нерадиоактивного азота построено из 7 нейтронов и 7 протонов. А в ядре радиоактивного изотопа азота на 7 протонов приходится только 6 нейтронов. Наоборот, ядро радиоактивного изотопа натрия содержит в себе 13 нейтронов против 12, содержащихся в природном натрии.

Так была найдена разгадка устойчивости и неустойчивости атомов различных элементов. Оказывается устойчивость атомного ядра зависит от того, в каком соотношении находятся в нём нейтроны и протоны.

Только ядра с определёнными соотношениями числа нейтронов к числу протонов являются устойчивыми. Любое нарушение этих соотношений — и ядро атома становится радиоактивным. Распад ядра идёт до тех пор, пока в нём не восстановится нарушенное равновесие протонов и нейтронов.

Изучая процессы внутриядерных превращений, физики пришли и к ещё более изумительному достижению. Они получили совершенно новые, не существовавшие в природе элементы!

Вот история этого открытия.

Изучая воздействие быстрых нейтронов на ядра различных элементов, учёные добрались и до последнего, самого тяжёлого элемента таблицы — до урана. Ядро этого элемента имеет самый большой вес — 238 и самый большой заряд — 92. Когда атомы урана были «обстреляны» нейтронами, то оказалось, что нейтроны, поглощаемые ядрами урановых атомов, увеличивают массу этих ядер до 239. Полученный таким образом уран с весом 239 и зарядом 92, в отличие от своего изотопа 238 (природного урана), распадается очень быстро — в течение нескольких десятков минут. Уран 239 выбрасывает из себя не альфа-частицы, как природный уран, а бета-частицы, то-есть быстрые электроны. В результате такого распада заряд ядра увеличивается до 93, а вес остаётся тем же — 239 (такие химические элементы, имеющие одинаковый атомный вес, но различный заряд ядра, называются изобарами, то-есть «имеющими один и тот же вес»). Получился новый элемент с порядковым номером 93, которого нет в природе.

Этот элемент был назван нептунием.

Но нептуний также неустойчив. Из его ядер вновь вылетает по электрону. Получается новый элемент с зарядом 94 и весом 239 — плутоний. Этот элемент распадается уже медленно, как и уран, с выделением альфа-частиц.

Подобным же образом были получены и еще четыре новых элемента. Все они получили название трансурановых элементов, то-есть элементов, расположенных в таблице Менделеева за ураном.

Так периодическая таблица элементов пополнилась в наше время шестью новыми элементами, созданными искусственным путём.

Ещё более интересным было третье открытие. Производя опыты с «бомбардировкой» урана нейтронами, физики установили также, что под действием нейтронов с ядром урана могут происходить и другие превращения, а именно — в некоторых случаях ядро урана, захватив медленный нейтрон, раскалывается на две половины! В результате получаются два новых ядра, например, ядра атомов элементов криптона и бария или рубидия и цезия. Было установлено, что это происходит с ядром изотопа урана, имеющего массу 235.

И вот что оказалось замечательным при таком делении: во-первых, выделяется в короткое время огромное количество внутриядерной энергии и, во-вторых, из образовавшихся осколков урановых ядер вылетают новые освобождающиеся нейтроны (рис. 25).

Рис. 25. Цепная реакция распада атомных ядер урана-235 .

А это последнее обстоятельство и явилось основой получения и использования внутриядерной, или, как ее часто называют, атомной энергии!

В самом деле, ведь вылетающие из разбитого первым нейтроном ядра несколько новых нейтронов в свою очередь способны вызывать деление новых ядер и создавать тем самым еще большее число «ядерных пуль» и т. д. Таким образом, стоит только расколоть одно-единственное ядро урана 235, как уже дальше реакция расщепления урановых ядер с массой 235 будет всё нарастать и нарастать, не прекращаясь до тех пор, пока разложится вся масса урана 235 (происходит так называемая цепная реакция распада урановых ядер). А вместе с этим будет выделяться всё большая и большая энергия.

Так изучение строения тел природы, поиски ответа на вопрос, из чего построен мир, привели учёных к открытию и использованию грандиозной энергии, заключённой в атомных ядрах.

Чтобы представить, насколько велика эта энергия, достаточно привести хотя бы такой пример: в теле весом один килограмм содержится ядерная энергия, равная энергии, которую можно получить при сжигании трёх миллионов тонн угля!

Советские учёные и инженеры успешно решают важнейшую задачу — направить внутриядерную энергию на службу нашему народу.

«Советская наука направлена на службу делу мира и процветания нашей Родины. Если атомная энергия в руках империалистов является источником производства смертоносных орудий, средством запугивания, орудием шантажа и насилия, то в руках советских людей она может и должна служить могучим средством невиданного ещё до сих пор технического прогресса, дальнейшего быстрого роста производительных сил нашей страны» (Г. Маленков).

Вспомните, что при бета-распаде из ядер атомов вылетают быстрые электроны. Однако, с другой стороны, как уже говорилось, ряд серьёзных соображений — опыты и расчёты — говорит о том, что электроны не входят в состав ядра.

Откуда же берутся вылетающие из ядра электроны?

Современная наука разгадала — секрет возникновения в ядре электронов. Оказывается, электрон «рождается» в ядре в тот самый момент, когда превращается в протон один из ядерных нейтронов. При этом выделяется также особая элементарная частица — нейтрино (о ней будет ещё сказано дальше). Никаких электронов до этого превращения в ядре не существовало. Так, ядро искусственного неустойчивого изотопа натрия содержит в себе 13 нейтронов и 11 протонов. Такое ядро распадается с выделением электронов, и при этом образуется уже устойчивое ядро с 12 протонами и 12 нейтронами — это устойчивый изотоп магния, встречающийся в природе.

Если же неустойчивый изотоп имеет недостаток нейтронов, то в этом случае при превращении ядра изотопа протон превращается в нейтрон; при этом из ядра иногда выбрасывается новая частица, о которой мы ещё не говорили, — позитрон. Величина заряда, вес и размеры этой элементарной частицы таковы же, как и у электрона, но заряд позитрона — не отрицательный, а положительный. Подобное превращение может происходить также при захвате ядром одного из окружающих его электронов.

Впервые позитрон был открыт при изучении космических лучей.

Взаимное превращение нейтронов и протонов друг в друга с выделением элементарных положительных и отрицательных зарядов не говорит, однако, ничего о сложности этих частичек. Нельзя сказать, что электрон входит в состав нейтрона, а позитрон в состав протона. Они образуются, «рождаются» в момент превращения одной частички в другую.