Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Фиг. 146. Ядерные силы и ядерная энергия.

α1 — α -частица в ядре с энергией нише «основного» уровня будет оставаться все время в нети — ядро стабильно; α2 — α -частица с такой энергией может вылетать из ядра; α3 — подобная α -частица пребывает вне ядра.

Фиг. 147. Модели ядерных энергетических холмов.

Бомбардировка нейтронами

Иная картина возникает, если в качестве исследовательских снарядов использовать не α -частицы и протоны, а нейтроны. В силу того, что у нейтрона нет заряда и, следовательно, электрического поля вокруг него, он, проходя мимо атома, не срывает его электроны. Не испытывает он отклонения и в поле кулоновских сил ядра. В большинстве случаев нейтрон движется, не испытывая отклонения ни возле атома, ни внутри атома, ни в непосредственной близости к ядру. Если нейтрон использовать как метательный снаряд, то в «модели холмов» атом для него представляется в виде энергетической плоской равнины. Однако нейтроны могут испытывать столкновения, если случается, что они проходят на очень близком расстоянии от ядра мишени. Тогда они рассеиваются, отклоняясь в сторону, или захватываются ядром и задерживаются в нем. Это показывает, что нейтроны испытывают действие ядерных сил [164], причем это силы очень короткого радиуса действия. Эти короткодействующие силы вполне могут оказаться теми же самыми силами, действие которых испытывают заряженные частицы. На тех расстояниях от ядра, где ядерные силы начинают прогибать вершину кулонова холма, на плоской равнине для нейтронов зияет глубокий колодец [165].

Думается, что при уменьшении жилой площади, приходящейся на каждого обитателя и так перенаселенного ядра, ядерные силы из сил притяжения переходят в силы отталкивания. Ядерное «племя» не должно ни слипаться в комок, ни разлетаться во все стороны.

Фиг. 148. Диаграмма энергетического холма в случае нейтрона, приближающегося к ядру.

Бомбардировка нейтронами. Упругие соударения

В большинстве случаев, если только мишень не состоит из легких ядер и столкновение не лобовое, нейтрон, проходя недалеко от ядра мишени, сталкивается с ним упруго, отдавая ему лишь малую часть своей кинетической энергии. При упругом столкновении с тяжелым ядром мишени, таким, как ядро свинца, даже в лобовом столкновении нейтрон теряет менее 2 % своей кинетической энергии; радиус действия ядерных сил настолько мал, что лобовые или близкие к ним соударения очень редки. Однако в силу того, что атомов много, поскольку даже кусочек вещества, который нам кажется крошечным, содержит их громадное число, нейтрон, проходя через мишень, быстро замедляется благодаря упругим столкновениям. Быстрый нейтрон (т. е. нейтрон с кинетической энергией ~1 Мэв, образующийся при делении U 235) будет двигаться сквозь окружающий материал сначала с большой скоростью, затем со средней, а потом с малой скоростью до тех пор, пока он в столкновениях не замедлится до «тепловой» энергии (т. е. когда его кинетическая энергия сравняется с энергией молекул газа при температуре материала). Это приводит к тому, что полный пробег быстрого нейтрона в большинстве твердых тел составляет несколько сантиметров по сравнению с пробегом протонов или альфа-частиц с той же первоначальной энергией, равным нескольким тысячным долям сантиметра.

Фиг. 149. Бомбардировка ядер.

Бомбардировка нейтронами. Захват

Иногда при соударении на очень близких расстояниях нейтрон захватывается ядром мишени. Частота этих событий, по-видимому, сильно колеблется от одного элемента к другому и различна даже для изотопов одного и того же элемента. Вероятность захвата также сильно зависит, причем довольно сложным образом, от скорости нейтрона [166].

Часто новое ядро, образовавшееся после захвата, оказывается нестабильным, радиоактивным. Эксперименты по захвату нейтронов позволяют исследовать не только структуру ядра, но и получать новые нестабильные атомы. Ниже перечислены некоторые из нескольких сотен таких событий, известных в настоящее время.

Фиг. 150. Облучение нейтронами.

Фиг. 151. Получение дейтерия.

1) Ядро водорода поглощает нейтрон и становится ядром «тяжелого водорода» (дейтерий), которое представляет собой сильно связанные друг с другом протон и нейтрон

0 n 1+ 1 H 1—> 1 H 2

2) Ядро серебра может поглотить нейтрон и стать радиоактивным. Особенно часто это случается для медленных нейтронов.

Это легко демонстрируется: стоит лишь замедлить быстрые нейтроны с помощью бака с водой, как серебряная монета становится радиоактивной (фиг. 152 и 153).

Фиг. 152. Получение радиоактивного серебра путем облучения нейтронами.

Фиг. 153. Облучение нейтронами.

Источником быстрых нейтронов служит смесь радия и бериллия. Нейтроны, сталкиваясь с ядрами водорода воды, теряют энергию в каждом столкновении, замедляясь до тепловых скоростей в результате примерно десятка столкновений. После этого у них велики шансы при тесном сближении с ядром атома серебра поглотиться им. Нейтроны, кроме того, сталкиваются с ядрами атомов кислорода, однако при столкновении с ними они теряют гораздо меньшую энергию. Иногда они захватываются ядрами атома водорода, образуя ядра «тяжелого водорода».

3) Ядро алюминия поглощает нейтрон, испустив α -частицу, превратившись в радиоактивный натрий — тот самый полезный изотоп, который получается при облучении натриевой мишени дейтронами:

0 n 1+ 13 Al 27—> 11 Na 24+ 2 He 4

4) Ядро бора может поглотить медленный нейтрон и развалиться на ядро лития и α -частицу, разлетающиеся в разные стороны с суммарной кинетической энергией 2,8 Мэв. (Для регистрации медленных нейтронов в ионизационные камеры впускают газ, содержащий бор.)

0 n 1+ 5 B 10—> 3 Li 7+ 2 He 4

5) Кадмий обладает исключительно большим сечением захвата медленных нейтронов, что делает его незаменимым при использовании в качестве поглотителя для управления ядерным реактором.

6) Радиоактивный углерод и «углеродные часы». Когда нейтрон попадает в ядро азота, он иногда выбивает из него протон, образуя ядро радиоактивного углерода:

0 n 1+ 7 N 14—> 6 C 14+ 1 H 1

Радиоактивный углерод С 14распадается с периодом полураспада 5600 лет, испуская β -лучи и превращаясь снова в азот:

6 C 14—> 7 N 14+ -1 e 0

Это дает чудесный способ для определения возраста археологических находок. Нашу атмосферу постоянно пронизывает поток нейтронов, входящих в состав приходящих издалека космических лучей или образуемых этими лучами в атмосфере (некоторые из них сталкиваются с атомами азота в воздухе и образуют С 14). Эти атомы входят в состав содержащегося в атмосфере углерода (и в течение некоторого времени в океане) в основное в виде соединения СО 2. Как известно, поток космических лучей оставался постоянным в течение многих столетий и привел к образованию малой, но неизменной доли радиоактивного углерода в мировом содержании СО 2— той доли, которая установилась в результате баланса между распадом и образованием нового СО 2в атмосфере. Но так как СО 2используется деревом для образования древесины (или морскими животными при формировании скелета), то углерод в этом соединении входит в твердый материал, в который не может больше поступать радиоактивный углерод из азота. Радиоактивная часть углерода распадается с периодом полураспада 5600 лет. Следовательно, измеряя содержание радиоактивного углерода в образце (скажем, в морской раковине), можно определить его возраст, т. е. сколько времени прошло с тех пор, когда содержащийся в нем углерод образовался в атмосфере. Для измерения такой β -активности были сконструированы чувствительные счетчики, и теперь можно определять возраст образцов кусочков древесины или одежды, оставшихся нам от древних цивилизаций [167].