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

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.

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.

Первым обнаружили элемент с атомным числом 43. Лоуренс, изобретатель циклотрона, подверг атомы молибдена бомбардировке дейтронами, в результате чего в ходе (d, n)-реакции образовался элемент номер 43:

В 1937 году образец облученного молибдена попал в руки к итальянскому физику Эмилио Сегре (1905–1989). Химическими способами он протестировал образец на предмет предполагаемого радиационного излучения элемента номер 43. Излучение действительно существовало, и таким образом было доказано, что элемент 43 действительно присутствует в молибдене. Так как этот элемент был первым элементом, созданным в результате вызванных человеком ядерных реакций, он получил название (технеций («искусственный»).

Технеций стал не только первым созданным человеком элементом, но и первым легким элементом (то есть атомное число которого меньше 84), не имеющим ни одного стабильного изотопа. Существуют не менее трех изотопов технеция с достаточно длинным периодом полураспада: технеций–97 — 2 600 000 лет, технеций–98 — 1 500 000 лет и технеций–99 — 210 000 лет. Тем не менее абсолютно стабильных изотопов технеция не существует. Так как продолжительность периодов полураспада мала по сравнению с возрастом Земли и так как изотопы технеция не являются членами какого-либо радиоактивного ряда, в земной коре технеций в измеримом количестве не встречается.

В 1939 году французский химик Маргарита Пере в продуктах распада урана–235 обнаружила изотоп элемента 87. Она назвала его франций, по названию своей родной страны. Чуть позже в радиоактивных рядах был обнаружен элемент 85, и уже в 1940 году его удалось получить искусственным путем в результате бомбардировки альфа-частицами атомов висмута. Элемент получил название астатин («нестабильный»). Реакция выглядит так:

или

(Переехавший к этому моменту в США Сегре стал один из членов группы ученых, которым удалось выделить астатин.)

Элемент номер 61 был открыт в 1948 году (при обстоятельствах, о которых я расскажу позже) командой американского химика Чарльза Кориела. Элемент получил название прометий. Это был уже второй случай элемента без стабильных изотопов. Период полураспада самого долгоживущего изотопа — прометия–145 — составлял всего 18 лет.

Таким образом, к 1948 году периодическую таблицу наконец удалось заполнить полностью. Однако была открыта верхняя часть таблицы. Ферми, которому не давала покоя возможность путем бомбардировки нейтронами поднимать атомное число ядра-мишени на 1–2 единицы, начиная с 1934 года занимался бомбардировкой атомов урана нейтронами.

Он предположил, что, возможно, уран–239 образуется из урана–238. Испуская бета-частицы, уран–239, возможно, становится элементом 93, а затем элементом 94. Ферми решил, что он уже показал этот процесс, и поэтому назвал элемент 93 «ураном X».

Когда ученые открыли возможность деления ядра урана (см. ниже), оказалось, что заслуги Ферми не ограничиваются выделением элемента 93, и на какое-то время о элементе 93 забыли. Однако когда страсти вокруг деления ядра немного поутихли, ученые вновь вернулись к элементу 93. Образование урана–239 являлось хоть и не основным, но все же результатом бомбардировки атомов урана нейтронами. Реакция действительно имела место.

Это было доказано в 1940 году американским физиком Эдвином Макмилланом и его коллегой, американским химиком Филипом-Хауге Эйблсоном. Они обнаружили источник радиоактивного излучения с периодом полураспада 2,3 дня, атомным числом 93 и массовым числом 239. Так как уран был назван в честь планеты Уран, то элемент «выше» урана был назван нептуний, в честь планеты Нептун, располагающейся «выше» Урана.

Казалось очень вероятным, что нептуний–239 являлся бета-излучателем и распадался до элемента с атомным числом 94. К несчастью, радиоактивность образующегося в результате этого изотопа была настолько мала, что в малых количествах его было практически невозможно обнаружить. Однако в том же году Макмиллану и его новому ассистенту, американскому химику Гленну Сиборгу, в результате бомбардировки атомов урана дейтронами удалось получить нептуний–238: