Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Наиболее удаленный от ядра внешний слой электронов удерживается ядром с наименьшей силой. Поэтому атомы могут терять один или несколько электронов именно из внешнего слоя. Чем дальше от ядра находятся внешние электроны, способные отрываться от атома, тем легче объединяются они с электронами других атомов при химических взаимодействиях. Химическая активность элементов, их способность участвовать в различных химических процессах определяется именно внешними электронами.

Если из нейтрального атома удалить (выбить) один из его электронов, то, лишенный электрона, атом окажется положительно заряженным. Такой заряженный атом называется положительным ионом. Электрон, выбитый из атома и существующий либо свободно, либо присоединившись к какому-либо атому, образует отрицательный ион. Процесс удаления электрона из атома, в результате которого образуется пара ионов, называется ионизацией.

Простейшим примером иона является ионизированный атом водорода, называемый протоном. Так как в нейтральном атоме водорода имеется всего один электрон, то нетрудно понять, что протон, получающийся при удалении этого единственного электрона, представляет собой попросту ядро атома водорода.

Дважды ионизированный атом гелия, называемый альфа-частицей, есть не что иное, как ядро атома гелия.

Чтобы ионизировать атом, необходимо произвести работу по преодолению сил электрического притяжения, удерживающих электрон вблизи от ядра, и, следовательно, затратить некоторую энергию. Для атомов различных элементов требуются различные затраты энергии. В атмосферном воздухе, состоящем главным образом из азота и кислорода, необходимая для образования одной пары ионов энергия составляет в среднем 32,5 электрон-вольта .

Электрон-вольт (эв) — единица энергии, принятая в атомной физике. Электрон-вольт — такое количество энергии, которое приобретает электрон, пробежавший в ускоряющем электрическом поле путь с напряжением (разностью потенциалов) в 1 в .

Часто употребляется более крупная единица — мегаэлектрон-вольт ( Мэв) , равный миллиону электрон-вольт:

Можно показать, что мегаэлектрон-вольт равен шестнадцати десятимиллионным долям общефизической единицы энергии эрга:

что кратко можно записать следующим образом:

В 1896 г. французский ученый А. Беккерель обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, которые сильно ионизируют воздух, действуют на фотопластинку, проникают через бумагу, картон и даже металл и вызывают некоторые другие явления.

В 1898 г. французские ученые Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская открыли два новых химических элемента, у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным. За это одному из вновь открытых элементов было дано наименование «радий», что означает «лучистый»; другой элемент был назван «полонием» в честь Польши — родины Марии Кюри-Склодовской.

Свойство некоторых веществ самопроизвольно испускать подобно радию невидимые лучи получило название радиоактивности. В последующем было обнаружено, что радиоактивностью, помимо урана, радия и полония, обладают также торий, актиний, радон и ряд других элементов, расположенных преимущественно в конце периодической системы Менделеева.

Химические элементы, обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными элементами. В природе встречается около полутора десятков естественно радиоактивных элементов.

Радиоактивность, свойственная веществам, встречающимся в природе, называется естественной. Исследование естественной радиоактивности было делом всей жизни Пьера Кюри и Марии Кюри-Склодовской.

В 1934 г. была открыта искусственная радиоактивность, то есть радиоактивность, вызываемая по желанию человека у таких элементов, которые в природных условиях не обладают радиоактивностью. Открытие и исследование искусственной радиоактивности принадлежит французским ученым — выдающемуся борцу за мир коммунисту Фредерику Жолио-Кюри и его жене Ирен Жолио-Кюри. Это открытие — одно из крупнейших событий в истории естествознания; оно привело к разработке методов использования ядерной энергии и оказало чрезвычайно большое влияние на развитие всей науки и техники.

Что же представляют собой лучи радиоактивных веществ? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые исследовали поведение этих лучей в магнитном поле между полюсами сильного магнита. Оказалось, что узкий пучок радиоактивных лучей разделяется в магнитном поле на три пучка (рис. 4). Лучи, отклонявшиеся в ту же сторону, в которую отклоняются движущиеся в магнитном поле положительно заряженные частицы, назвали альфа-лучами(α). Лучи, отклонявшиеся в противоположную сторону, назвали бета-лучами(β). Наконец, лучи, которые не испытывали отклонения в магнитном поле и распространялись прямолинейно, назвали гамма-лучами(γ).

Было установлено, что альфа-лучи — это поток быстро движущихся положительно заряженных частиц(альфа-частиц), оказавшихся при дальнейшем исследовании ядрами атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из радиоактивных, преимущественно тяжелых, элементов во всех направлениях с большими скоростями, достигающими 20–25 тыс. км/сек . Двигаясь с такой скоростью, можно было бы совершить кругосветное путешествие вокруг Земли всего за 2 секунды. Кинетическая энергия, которой обладают альфа-частицы при этом, может достигать 10 и более миллионов электронвольт. Если бы можно было собрать один грамм таких частиц и все их одновременно направить на какую-либо мишень, то она получила бы удар, равный удару по крайней мере 100 000 артиллерийских снарядов шестидюймового калибра.

Важнейшим свойством альфа-частиц является их большая ионизирующая способность, обусловленная главным образом наличием у них двойного положительного заряда. Двигаясь в веществе, альфа-частица срывает у атомов, мимо которых пролетает, один или несколько электронов и образует ионы. В воздухе, например, на каждом сантиметре своего пробега альфа-частица ионизирует до 30 000 атомов и образует, следовательно, такое же количество пар ионов.