Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра - [140]

Химия и радиоактивность

Итак, мы уподобили α- и β-лучи ракетам, стартующим из ядра. Когда они вылетают из ядра, масса последнего меняется: альфа-частица уносит массу, равную 4 массам атома водорода. Бета-частица уносит ничтожную массу, которая снова восстанавливается, когда образовавшийся атом захватывает недостающий ему внешний электрон. Заряд ядра при этом также меняется. Альфа-частица уносит заряд +2е, уменьшая тем самым заряд ядра (атомный номер понижается) на 2 единицы. Бета-частица уносит заряд — е, увеличивая заряд ядра на +е. При этом атомный номер ядра увеличивается на 1.

Фиг. 121.Радиоактивные превращения.

Изменения атомного номера Z ведут к такому же изменению в числе внешних электронов нейтрального атома и тем самым к изменению его химических свойств, которые определяются внешними электронами. Число же и распределение этих электронов определяются зарядом ядра Ze, и мы бессильны превратить один химический элемент в другой, не имея возможности изменить заряд ядра. Мечта алхимиков о превращении свинца (Z = 82) в золото (Z = 79) осуществилась бы, если бы можно было отобрать у каждого ядра свинца по три +е заряда. При радиоактивном распаде элементов заряд их меняется. Нельзя ли вызвать или хотя бы повлиять на такие изменения? Первые эксперименты показали: нет, и теперь ясно, что надеяться на это было безнадежно, пока не стали доступны для бомбардировки снаряды с очень высокой энергией. Масса электронов очень мала: они, словно кометы, легко заворачиваются ядром. Альфа-частицы несут «++» заряд и поэтому отталкиваются ядром. Они вылетают из радиоактивного ядра с кинетической энергией в несколько миллионов электронвольт. Поэтому для их возвращения назад нужна такая же по величине энергия. (Бесполезно использовать для бомбардировки нейтральный атом: уже на ранней стадии сближения с ядром его электроны отрывались бы от него и ядро отталкивалось бы подобно α-частице.) Однако некие надежды возлагались на бомбардировку быстрыми альфа-частицами легких атомов с малым атомным номером, т. е. с малым зарядом ядра. Они-то и привели к первым успехам в искусственном превращении элементов.

Искусственный распад. Превращения, осуществленные человеком

Спустя четверть века после открытия радиоактивности Резерфорду удалось сокрушить ядра нескольких атомов, облучая их быстрыми альфа-частицами. Альфа-частицы, выпущенные из радиоактивного источника, пронизывали газообразный азот. В конце своего пробега альфа-частицы иногда выбивали вперед более легкие частицы. Выбитые частицы закручивались с помощью магнитного поля, и тем самым можно было убедиться, что это протоны[156] Н⁺. Несмотря на то что эти события были редкими, они были сфотографированы. Около четверти миллиона треков в камере Вильсона было снято на кинопленку и обнаружено семь таких событий (фиг. 122). На снимках была видна отскочившая легкая частица, несомненно протон, и короткий трек атома отдачи, но исходная α-частица на них уже видна не была. Измерения углов и длины треков показали, что при столкновении сохранялся лишь момент количества движения, но не кинетическая энергия.

Фиг. 122.Фотоснимки в камере Вильсона.

_{Превращения ядра при его бомбардировке. Фотоснимок Блэккетта, демонстрирующий открытие Резерфорда. Альфа-частица сталкивается с ядром азота и исчезает. В результате-возникает ядро отдачи кислорода и протон (ядро водорода) (P. M. S. ВIасkett, Ргос. Roy. Soc. Load.).}

Запишем теперь это следующим образом:

альфа-частица (ядро Не) СТАЛКИВАЕТСЯ с ядром атома азота ИСПУСКАЕТСЯ протон (ядро Н) получается новое ядро???

(заряд = +2е) (заряд = + 7е) (заряд = +е) (заряд = 7е + 2e — 1e)

(масса = 4 маcсы протона) (масса = 14) (масса = 1) (масса = 14 + 4–1)

Таким образом, новое ядро должно иметь заряд +8е, характеризующий кислород, и массу 17, до некоторой степени необычную, но не такую уж неожиданную для кислорода. (С помощью масс-спектрографа было показано, что в обычном кислороде помимо атомов О¹⁶ всегда присутствуют более тяжелые атомы О¹⁷.)

Фиг. 123.Позитрон.

_{Открытие Андерсоном положительного электрона. Трек пронизывает слой свинца. В направлении, перпендикулярном фотографии, от читателя приложено сильное магнитное поле. (Копия с фотоснимка К. Д. Андерсона, хранящегося в музее науки в Лондоне.)} 

С тех пор как появилось сообщение Резерфорда, осуществлено много таких «ядерных» реакций, сначала путем бомбардировки существующими в природе снарядами (α-частицами), а затем более мощными снарядами — протонами, ускоренными на больших машинах, и, наконец, еще более эффективными снарядами — лишенными заряда нейтронами. Эти ядерные превращения составляют обширную область ядерной «химии».

Фиг. 124.Образование пар. Рождение вещества.

_{Отрицательные и положительные электроны рождаются γ-квантом, пришедшим снизу. В направлении, перпендикулярном фотоснимку, приложено сильное магнитное поле (W. A. Fowler, E. R. Gаеrttner, С. С. Lauгitsen).}

Фиг. 125.Распад ядра, вызванный нейтроном.

_{Нейтрон, столкнувшись с ядром азота, поглощается им. Образующееся ядро испустило α-частицу и испытало отдачу. Первичный нейтрон, трек которого на фотоснимке не виден, пришел от источника в направлении, указанном стрелкой (}