Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

Энрико Ферми

Анализируя космическое излучение, американский физик Карл Андерсон (1905-1991) впервые выявил позитрон, е+, частицу с такими же массой и спином, как у электрона, но с положительным зарядом. Таким образом, Андерсон подтвердил предсказания Дирака о квантовых моделях, сделанные в 1927 году, к которым также в 1928 году пришел Майорана. Карта элементарных частиц становилась все полнее. В атомной и ядерной физике начиналась революция. В 1932 году Ферми был приглашен в Париж на Пятую Международную конференцию об электричестве, где он выступил с докладом «Современное состояние физики атомного ядра», в котором объяснил несостоятельность модели атомного ядра, основанной на протонах и электронах, и изложил гипотезу Паули о существовании нейтрино.

Распад ядра случается всякий раз, когда ядро атома приходит в возбужденное состояние, то есть отличное от состояния с наименьшим возможным количеством энергии. Возбуждение атомов происходит естественным образом или может быть создано искусственно. Естественная радиоактивность была открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, она изучалась Пьером и Марией Кюри и является следствием процессов ядерного распада. Существует три типа радиоактивности: альфа (α), бета (β) и гамма (γ) (см. рисунок). Гамма-излучение состоит из фотонов с высокой энергией, способных проникать в свинце на глубину до 7 см. Фотоны могут исходить, например, от протона в возбужденном состоянии ядра, который переходит на уровень с меньшей энергией: р+ → р + γ. Гамма-лучи образуются также в ходе ядерных реакций на звездах, например на Солнце, но, к счастью, они не проходят сквозь атмосферу и не достигают земной поверхности. Объяснение гамма-распада не представляло особой трудности в рамках теории Ферми, так как соответствовало теориям Планка и Эйнштейна. Экспериментальная же физика должна была разработать необходимые инструменты для его анализа и получения данных об атомных ядрах. В 1933 году Ферми и Разетти создали спектрометр с кристаллами висмута — пригодилась техника, которой Разетти научился за год до этого у Лизы Мейтнер. Альфа-распад состоит в излучении альфа-частицы (ядра гелия-4, Не 4 2) ядром. Например, Мария Кюри открыла, что это происходит с радием, который естественным образом превращается в радон:

Ra 226 88→ Rd 222 86+ He 4 2.

Каждый вид излучения имеет свою проникающую способность. Альфа-частицы останавливает обычный листок бумаги, бета- частицы —- тонкая деревянная доска, а гамма- частицы и нейтроны — брусок свинца толщиной в несколько сантиметров или кусок цемента толщиной в метр.

Было замечено, что альфа-распад обычно происходит в ядрах с атомным номером больше Z = 82.

Резерфорд использовал альфа-частицы для того, чтобы доказать существование атомного ядра. Энергия распада была известна, она зависела от масс участвующих в ядерной реакции ядер и могла быть записана в виде формулы эквивалентности массы и энергии Эйнштейна (E = mc 2).

Объяснение, которое Ферми дал явлению распада, легло в основу важных способов практического применения, например метода радиоуглеродного анализа. Если мы рассмотрим систему с множеством распадающихся атомных ядер (посредством альфа-, бета- или гамма-распада) в ритме, заданном постоянной λ (вероятность того, что ядро распадется за единицу времени), если в один момент времени t существует N ядер, которые не распались, то, применив дифференциальное вычисление, получим:

dN = -N·λ·dt → dN/N = -λdt

Минус означает, что количество ядер N со временем уменьшается. Взяв интеграл от предыдущего выражения, мы получим

∫ N(t) N0dN/N = -λ∫ t 0dt = -λt

lnN(t) - ln(N 0) = -λt → ln(N(t)/N 0) = -λt

где N 0— изначальное число нераспавшихся ядер. Если мы определим время жизни, T, как величину, обратную λ то получим закон экспоненциального распада.

N(t) = N 0e -λt= N 0e -t/T.

Обычно используется также период полураспада, или средний период жизни T 1/2, то есть время, прошедшее до момента, когда число ядер уменьшается наполовину:

T 1/2= (ln2)·T ≈ 0,693·T.

Сегодня мы знаем период полураспада большей части радиоактивных изотопов. Благодаря этому были разработаны системы геологической и археологической датировки, например метод углерода-14 (рисунок ниже), основанный на естественном присутствии ядер этого изотопа в углероде в органических останках не старше 50 тысяч лет.

Однако нестабильность структуры ядра, которая вела к альфа-распаду, и причина, по которой альфа-частица была именно ядром Не 4 2, а не каким- либо другим, нашли объяснение только в 1928 году в контексте квантовой механики благодаря советскому физику Георгию Гамову (1904-1968).

Причина бета-излучения, состоящего из простых электронов, оставалась тайной. До того как Чедвик открыл нейтрон, считалось, что она объясняется присутствием в ядре электронов: они были необходимы, чтобы компенсировать переизбыток заряда, созданный протонами ядра, согласно той ошибочной атомной модели, в которой еще не использовались нейтроны. Ферми и до открытия Чедвика знал, что модель неверна. Самым странным в бета-распаде было то, что излученные электроны не обладали энергией, которой должны были бы обладать; другими словами, они не следовали предполагаемому энергетическому спектру. Бор даже предположил, что при бета- распаде локально нарушается принцип сохранения энергии.

Таково было положение дел, когда 4 декабря 1930 года Паули в своем знаменитом письме предположил существование новой, еще не обнаруженной нейтральной частицы, излучаемой в ходе распада. Ферми использовал свое влияние в Королевской академии и вместе с Корбино в октябре 1931 года организовал в Риме конференцию. На ней Паули в частном разговоре с Ферми и другими коллегами высказал гипотезу о существовании маленькой частицы, «нейтральной, легкой, с большой проникающей способностью, которая не нарушает принцип сохранения энергии при бета-распаде». Ферми уже подозревал о существовании этой частицы, но не осмелился опубликовать догадку из-за вмешательства Бора. А вот более дерзкий Паули обнародовал свою гипотезу.

Поскольку нейтрон уже был открыт, чтобы избежать путаницы в терминах и даже отчасти в шутку, Амальди и Ферми предложили назвать частицу Паули на итальянский манер — нейтрино, то есть что-то нейтральное и маленькое. Предложение прозвучало на Римском конгрессе 1931 года. Вскоре термин был принят мировым научным сообществом, таким образом «крещение» новой частицы стало одним из самых необычных во всей истории науки. Спустя 25 лет, в 1956 году, американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес впервые обнаружили нейтрино опытным путем.