Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В целом у большинства используемых в лаборатории радиоизотопов периоды полураспада короче, а массовые числа меньше, чем у радия, поэтому удельная радиоактивность, как правило, очень высока.

Так, например, период полураспада углерода–11 20,5 минуты, или 1230 секунд, массовое число — 11 и удельная радиоактивность — 850 000 000 кюри на грамм.

Впрочем, эти радиоизотопы никогда не используются в граммах. Во-первых, такое их количество просто невозможно получить, а во-вторых, если даже это было бы возможно, оно слишком опасно. Кроме того, большие количества просто не нужны. При точном обнаружении частиц удобно использовать гораздо меньшие, чем 1 кюри, единицы, например милликюри ( 1/ 1000кюри) и микрокюри 1/ 1000000кюри). Один микрограмм углерода–11 равноценен 850 микрокюри.

Даже один микрокюри означает распад 36 000 атомов в секунду. На практике удается зафиксировать в лучшем случае распад четырех атомов в секунду, то есть 1/ 9000кюри, или 1,1∙10 10кюри.

В какой-то мере пользоваться кюри неудобно из-за того, что эта единица отражает распад большого и «нечетного» количества атомов в секунду. Поэтому была введена новая единица — резерфорд (названная так в честь создателя ядерной модели атома). Один резерфорл — это распад миллиона атомов в секунду.

Таким образом, в 1 кюри — 37 000 резерфордов, а в 1 резерфорде — 270 микрокюри.

Как только был открыт нейтрон, физики сразу решили использовать его в ядерных реакциях в качестве бомбардирующей частицы (что и привело к получению радиоизотопов в огромных количествах). Однако у нейтрона нет заряда, и он плохо подходил для этой роли, так как нейтрон невозможно ускорить при помощи магнитного поля, а ведь именно этот способ применяется во всех типах ускорителей частиц.

В 1935 году американский физик Роберт Оппенгеймер (1904–1967) нашел выход из сложившейся ситуации. Он предложил вместе нейтрона использовать дейтрон. Дейтрон состоит из относительно слабо связанных друг с другом протона и нейтрона. Дейтрон обладает электрическим зарядом (+1), значит, его можно ускорять. Когда разогнанный дейтрон подлетает к ядру-мишени, то положительно заряженное ядро начинает отталкивать протон дейтрона, иногда с достаточной силой, чтобы тот «оторвался» от нейтрона. Протон отлетает в сторону, однако нейтрон, поскольку силы отталкивания на него не действуют, продолжает лететь в сторону ядра и в случае попадания может к нему присоединиться. В результате происходит ( d, p)-реакция по типу, описанному в уравнениях 10.3 и 10.5.

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:

или

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:

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 -24 кв. см. Для удобства физики приняли за 10 –24кв. см за один барн. (По-английски barn — это «амбар». Название возникло в результате утверждения, что по субатомным меркам попасть в зону площадью 10 -24кв. 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.