Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Почему в ядро углерода нельзя поместить больше (например, 8) или, наоборот, меньше (например, 5) нейтронов? Тогда мы получили бы изотоп углерода с общим числом частиц, равным 14 или 11, т. е. С 14 или С 11. Это и на самом деле возможно, С 11и С 14 можно получить в ускорителях. Однако в таких ядрах с их аномальным избытком или недостатком частиц одного рода происходит странное явление.

Это явление, наблюдаемое во всех случаях, когда между числом нейтронов и числом протонов нарушается баланс, называется радиоактивностью. Медленно, но верно протон сам собой превращается в нейтрон, если протонов слишком много, как в С 11, или нейтрон превращается в протон, если есть аномальный избыток нейтронов, как в С 14. Тогда из С 11получается ядро с 6 нейтронами и 5 протонами, т. е. ядро бора В 11; С 14превращается в ядро с 7 протонами и 7 нейтронами, т. е. в ядро азота N 14(рис. 45).

Рис. 45. Радиоактивное превращение С 14в N 14. Один нейтрон превращается в протон, испуская отрицательный электрон (е -) и нейтрино (ν). Светлые кружки — нейтроны, темные — протоны.

Этот процесс превращения имеет особый интерес. Он происходит медленно и непрерывно с определенным временем полураспада, которое составляет 20 мин для С 11и 4700 лет для С 14. Мы применяем термин «полураспад», потому что после 20 мин половина ядер С 11станет ядрами В 11; за следующие 20 мин превратится еще половина оставшихся ядер и т. д. Тот же закономерный процесс происходит и с С 14, но для него соответствующие промежутки времени равны 4700 лет.

Каждое превращение сопровождается испусканием частиц. Прежде всего, электрический заряд не может внезапно уменьшиться с 6 до 5 единиц или возрасти с 6 до 7 без того, чтобы не изменилось что-нибудь еще. Ядро должно как-то приспособиться к изменению заряда. Испускаются две частицы, одна из них — электрон, положительный [40]или отрицательный, другая — «нейтрино». Нейтрино, незаряженный партнер электрона, очень легок, вернее, его масса просто равна нулю [41]. Так как нейтрино не несет заряда и, следовательно, на него не действуют силы электрического притяжения или отталкивания, он очень легко проникает в вещество. Испущенный электрон положителен, если протон превратился в нейтрон, как в С 11, и отрицателен, если нейтрон превратился в протон, как в С 14. Это компенсирует изменение заряда ядра.

Обе испущенные частицы обладают большой энергией. В превращении С 11→ В 14пара электрон — нейтрино получает около миллиона электроновольт; в случае превращения C 14→N 14эта энергия равна 15 000 эв . Освобождение таких количеств энергии объясняется тем, что ядра конечных продуктов (В 11 или N 14) имеют меньшую энергию, чем исходные ядра. Как мы видели в предыдущей главе, переход от менее прочно связанной системы к более прочно связанной всегда дает выигрыш в энергии. У В 11и N 14 отношение числа протонов к числу нейтронов сбалансировано лучше, чем у исходных ядер, и поэтому они связаны крепче.

Радиоактивные ядра имеют большое значение в медицине, потому что электроны с большой энергией действуют на живые ткани. Существует много практических приложений радиоактивности и помимо медицинских. При помощи современных ускорителей сравнительно легко получать ядра радиоактивных элементов. Для создания ядер с аномальным избытком нейтронов или протонов достаточно бомбардировать обычные ядра протонами или нейтронами. У некоторых из этих радиоактивных изотопов период полураспада составляет лишь несколько секунд, у других он равен часам или годам; у немногих изотопов он достигает миллиардов лет. Такие долгоживущие изотопы не надо производить искусственно: их находят в земной коре; в качестве хорошо известного долгоживущего изотопа назовем радий. Эти изотопы [42]образовались в то время, когда вещество Земли подвергалось естественной бомбардировке протонами и нейтронами, в далеком прошлом при взрыве каких-то звезд. Благодаря большому периоду полураспада этих веществ мы по-прежнему встречаем их на Земле.

Радиоактивность [43]— это превращение несбалансированного, неустойчивого ядра в более устойчивое, сопровождающееся испусканием электрона и нейтрино. Подобный процесс весьма загадочен. Мы не знаем ни его значения, ни его связи с другими ядерными явлениями. Идет он очень медленно. Годы, часы, даже секунды — это очень длинные промежутки времени для ядерной системы, где движение происходит исключительно быстро. Резерфорд однажды сказал, что радиоактивные превращения идут так медленно, что практически вообще не происходят! Однако они есть. Даже отдельный свободный нейтрон живет всего лишь 10 мин, если он не «встроен» в ядро. Он самопроизвольно превращается в более устойчивый протон, испуская при этом электрон и нейтрино. Но как часть нерадиоактивного ядра нейтрон столь же устойчив, как и протон.

Тепло от горения угля происходит из соединения атомов кислорода и углерода, образующих молекулу, в которой они прочно связаны друг с другом. Энергия освобождается во всех случаях соединения атомов в прочно связанную единицу. Можно ли применить тот же принцип к связям в ядре? Энергия производится при соединении нейтронов и протонов в ядра. Ядерное пламя должно существовать и быть значительно сильнее обычного пламени, так как энергии, участвующие в ядерных явлениях, в сотни тысяч раз больше энергии электронов на атомных орбитах.

Рассмотрим простой пример ядерного горения. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтрон нов, связанных ядерными силами. Ядро углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов, которые прочно связаны друг с другом; поэтому можно представить себе, что ядро углерода — это три тесно связанных ядра гелия. Если бы можно было втиснуть три ядра гелия в такой малый объем, чтобы между ними начали действовать ядерные силы, то ядра гелия слились бы воедино, образуя ядро углерода и выделяя большую энергию. Итак, в ядерном пламени гелий сгорал бы в углерод.

Почему же гелий на Земле не горит в ядерных пламенах? В обычных условиях очень трудно заставить три ядра гелия сблизиться столь тесно. Во-первых, они окружены электронами; во-вторых, будучи заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Только при чрезвычайно высоких температурах, порядка миллиардов градусов, электроны отрываются, а ядра получают достаточно энергии для преодоления электрического отталкивания и сталкиваются друг с другом. Такие температуры нужны, чтобы зажечь гелиевый огонь, который, однажды загоревшись, будет выделять огромные количества энергии, а его температура будет в миллионы раз выше, чем у обычного пламени. Мы полагаем в настоящее время, что в центре некоторых звезд горит такой гелиевый огонь, снабжающий звезду энергией, которую она затем излучает. Такова звезда в верхнем левом углу созвездия Ориона.