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

Например, значение A m калия–41 равно 40,96184 a A = 41, значит, коэффициент уменьшения массы равен) –9,3 . Минимальное значение коэффициента уменьшения массы у железа–56 равно –11,63. Затем коэффициент уменьшения массы начинает вновь увеличиваться: например, у олова–120 он равен 8,1, а у иридия–191 равен –2,0. Значения коэффициентов элементов в конце периодической таблицы вновь положительные: коэффициент уменьшения массы урана–238 равен +2,1.

Это значит, что самыми стабильными являются атомы средних размеров, например железа и никеля. Энергия выделяется не распаде более сложных атомов на более простые.

Все это отражено в общем устройстве Вселенной. В целом, согласно проведенному на основе астрономических данных анализу распространенности элементов во Вселенной, оказалось, что чем сложнее элемент, тем реже он встречается. Около 90% всех атомов во Вселенной являются атомами водорода (простейшего элемента) и еще 9% — гелия (второй простейший элемент). Вполне вероятно, что благодаря своей стабильности атомы железа также распространены гораздо больше атомов остальных элементов. На примере нашей планеты можно сказать, что это действительно так: малая масса Земли не позволила ей удержать простейшие атомы, однако по массе она на 35% состоит из атомов железа.

Очень мало значение коэффициента уменьшения массы у атомов углерода–12 и кислорода–16 (которые можно рассматривать как состоящие из альфа-частиц) и особенно мало у атома гелия–4 (который и является альфа-частицей).

Коэффициент уменьшения массы лития–6 равен 25,2, а водорода–2 — 70. Раз гелий–4 находится где-то посредине между этими элементами, то можно предположить, что и его коэффициент уменьшения массы также будет иметь среднее значение коэффициентов этих элементов. Однако коэффициент уменьшения массы гелия–4 всего лишь 6,5, что намного меньше, чем у лития–6 и водорода–2. Неудивительно, что гелий, углерод и кислород — самые распространенные элементы во Вселенной.

Стабильность определенного нуклида зависит от значения не только его собственного коэффициента уменьшения массы, но и коэффициента уменьшения массы нуклидов с таким же количеством нуклонов. Например, сам по себе атом натрия–24 (11 протонов, 13 нейтронов) должен быть стабильным. Однако у атома магния–24 (12 протонов, 12 нейтронов) коэффициент уменьшения массы ниже. Поэтому, испуская бета-частицу и меняя тем самым соотношение нуклонов с 11–13 до 12–12, атом магния–24 становится стабильным. В то время как для полного разложения ядра натрия–24 необходимы гигантские энергетические затраты, лишь небольшое количество энергии достаточно для преобразования ядра путем испускания бета-частицы. Атом натрия–24 самопроизвольно испускает бета-частицу и распадется до атома магния–24, период полураспада которого составляет 15 часов.

Сразу два соседних изотопа с равными значениями массового числа не могут быть стабильными. Изотоп с большим коэффициентом уменьшения массы самопроизвольно преобразуется в изотоп с меньшим коэффициентом. Это все равно что скатиться с «энергетической горки»: чем круче горка, тем меньше период полураспада.

Два изотопа с одинаковыми массовыми числами, но не являющиеся соседними, стабильными быть могут. Так, и цинк–64 (30 протонов, 34 нейтрона), и никель–64 (28 протонов, 36 нейтронов) являются стабильными, так как между ними стоит медь–64 (29 протонов, 35 нейтронов), коэффициент уменьшения массы которой больше, чем у никеля–64 и цинка–64. Можно представить, что цинк–64 и никель–64 находятся по обе стороны «энергетической горы», на вершине которой находится медь–64. Изотоп меди–64 нестабилен, и его распад может проходить двумя способами: либо он испускает бета-частицу и становится цинком–64, либо он испускает противоположную бета-частице микрочастицу (см. гл. 13) и становится никелем–64.

Иногда «энергетическая гора» не очень высокая, и лежащие у ее подножия изотопы почти стабильны, как в случае с калием–40 (19 протонов, 21 нейтрон). Этот изотоп находится между двумя стабильными изотопами — аргоном–40 (18 протонов, 22 нейтрона) и кальцием–40 (20 протонов, 20 нейтронов). Сам калий–40 также является слаборадиоактивным изотопом и может распадаться либо до кальция–40, либо до аргона–40.

Как только существование ядерной энергии [138] Ядерную энергию часто называют атомной энергией; словосочетание используется даже в некоторых официальных названиях, например «Управление атомной энергетики». Это неправильно, так как электроны являются такой же полноправной частью атома, как и ядро, и энергия, выделяемая» процессе химических реакций электронного обмена, имеет право называться «атомной энергией». Однако нельзя полностью стереть из языка такие неправильные наименования, как «атомная энергия», «атомная подводная лодка» и «атомная бомба», и заменить их на более правильные «ядерные подводные лодки» и «ядерные бомбы». Я использую в этой книге термин «ядерный» исключительно из принципа, а не потому, что надеюсь что-либо изменить. было признано, ученые сразу начали искать возможные пути ее применения на практике. И действительно, существуют изотопы, которые стоят на вершине крайне пологого склона и медленно, по атому, скатываются с нее. Это конечно же изотопы урана–238, урана–235 и тория–223.

Например, в несколько приемов уран–238 распадается до образования свинца–206, при этом уран–238 испускает бета-частицу и гамма-лучи, массой которых можно пренебречь, а также 8 альфа-частиц, массой которых пренебрегать уже нельзя. Обозначая лишь тяжелые числа, можем записать:

Масса ядра урана–238 равна 238,0506, ядра свинца–206 — 205,9745, а альфа-частицы — 4,00260. Общая масса ядра свинца–206 и 8 альфа-частиц равна 237,9953. Это означает, что в процессе радиоактивного распада урана–238 до свинца–206 каждое ядро урана–238 теряет 238,0506–237,9953, то есть 0,0553 единиц атомной массы.

Можем перевести эти числа в граммы. При полном распаде до свинца 238 граммов урана 55,3 миллиграмма переходят в энергию. Если каждый грамм урана распадается полностью, то 0,255 грамма его массы переходят в энергию.

Вспомним формулу Эйнштейна e = mc 2, где e — энергия в эрг, m — масса в граммах, а с — скорость света в сантиметрах в секунду. Скорость света равна 3∙10 10сантиметров в секунду, а квадрат скорости света равен 9∙10 20. Умножив это на 0,255 (или на 2,25∙10 –4), получим, что при полном распаде 1 грамма урана высвобождается 2,5∙10 20эрг, или 5 000 000 килокалорий энергии.

При сгорании 1 грамма бензина выделяется 12 килокалорий энергии. Получается, что энергия, полученная в результате распада 1 грамма урана, в 420 000 раз больше энергии, выделяемой при сгорании 1 грамма бензина, и, более того, эквивалентна энергии, выделяемой при взрыве 5000 тонн тротила. Это хороший пример соотношения энергии химической и ядерной реакций.