Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики - [267]

В целом у большинства используемых в лаборатории радиоизотопов периоды полураспада короче, а массовые числа меньше, чем у радия, поэтому удельная радиоактивность, как правило, очень высока.

Так, например, период полураспада углерода–11 20,5 минуты, или 1230 секунд, массовое число — 11 и удельная радиоактивность — 850 000 000 кюри на грамм.

Впрочем, эти радиоизотопы никогда не используются в граммах. Во-первых, такое их количество просто невозможно получить, а во-вторых, если даже это было бы возможно, оно слишком опасно. Кроме того, большие количества просто не нужны. При точном обнаружении частиц удобно использовать гораздо меньшие, чем 1 кюри, единицы, например милликюри (¹/₁₀₀₀ кюри) и микрокюри ¹/_1000000 кюри). Один микрограмм углерода–11 равноценен 850 микрокюри.

Даже один микрокюри означает распад 36 000 атомов в секунду. На практике удается зафиксировать в лучшем случае распад четырех атомов в секунду, то есть ¹/₉₀₀₀ кюри, или 1,1∙10¹⁰ кюри.

В какой-то мере пользоваться кюри неудобно из-за того, что эта единица отражает распад большого и «нечетного» количества атомов в секунду. Поэтому была введена новая единица — резерфорд (названная так в честь создателя ядерной модели атома). Один резерфорл — это распад миллиона атомов в секунду.

Таким образом, в 1 кюри — 37 000 резерфордов, а в 1 резерфорде — 270 микрокюри.

Бомбардировка нейтронами

Как только был открыт нейтрон, физики сразу решили использовать его в ядерных реакциях в качестве бомбардирующей частицы (что и привело к получению радиоизотопов в огромных количествах). Однако у нейтрона нет заряда, и он плохо подходил для этой роли, так как нейтрон невозможно ускорить при помощи магнитного поля, а ведь именно этот способ применяется во всех типах ускорителей частиц.

В 1935 году американский физик Роберт Оппенгеймер (1904–1967) нашел выход из сложившейся ситуации. Он предложил вместе нейтрона использовать дейтрон. Дейтрон состоит из относительно слабо связанных друг с другом протона и нейтрона. Дейтрон обладает электрическим зарядом (+1), значит, его можно ускорять. Когда разогнанный дейтрон подлетает к ядру-мишени, то положительно заряженное ядро начинает отталкивать протон дейтрона, иногда с достаточной силой, чтобы тот «оторвался» от нейтрона. Протон отлетает в сторону, однако нейтрон, поскольку силы отталкивания на него не действуют, продолжает лететь в сторону ядра и в случае попадания может к нему присоединиться. В результате происходит (d, p)-реакция по типу, описанному в уравнениях 10.3 и 10.5.

Да, сами нейтроны ускорять нельзя, но это не так уж и важно. Более того, нейтрон, не притягиваемый и не отталкиваемый электрическим зарядом, попадет в ядро (в случае правильного прицеливания), даже если его кинетическая энергия очень мала.

В 1930-х годах ученые получали потоки нейтронов в результате бомбардировки атомов альфа-частицами. Смесь из источника альфа-частиц и бериллия служила очень удобным источником нейтронов.

Ядро-мишень может присоединить нейтроны, не выделяя при этом никаких частиц. За счет полученной от нейтрона кинетической энергии ядро переходит в возбужденное состояние и просто излучает избыток энергии в виде протона гамма-луча. Это (n, γ)-реакция. При записи такой реакции можно не указывать уровень энергии:

>40 Cd >114 + >0 n >1 → Cd >115 (Уравнение 10.9)

или

Cd >114 → (n, γ)Cd >115 .

Таким образом, для получения изотопов с большим атомным числом нейтрон использовать даже удобнее, чем дейтрон.

Часто образующийся в результате бомбардировки нейтрона изотоп является радиоактивным и распадается, испуская бета-частицу. В результате этого массовое число остается неизменным, однако атомное число увеличивается на единицу. Например, период полураспада бета-излучателя кадмия–115 равняется 45 дням, после чего он превращается в индий–115.

Кадмий-117, образовавшийся в результате бомбардировки нейтронами кадмия–116, последовательно распадается на два других элемента. Кадмий–117 является бета-излучателем с периодом полураспада около трех часов, после чего он становится индием–117. Индий–117 является бета-излучателем с периодом полураспада около двух часов, после чего в результате испускания бета-частицы он превращается в стабильный изотоп олова–117.

В большинстве случаев путем бомбардировки нейтронами можно получить элемент с атомным числом на 1–2 единицы выше исходного. Эффективность такого способа зависит от вероятности (n, γ)-реакции, которая зависит от следующих факторов.

Представьте себе вещество-мишень, площадь которого равняется 1 см и оно содержит N атомных ядер. Предположим, что это вещество бомбардируется I частицами, которые в секунду попадают в A атомных ядер.

Таким образом, площадь попадания альфа-частиц в секунду составляет A/N атомов.

Впрочем, A/N атомов — это результат попадания всех частиц I. Разделив A/N на I, узнаем площадь попадания одной частицы. Размер площади попадания одной частицы называется ядерным сечением и обозначается как σ (греческая «сигма»). Таким образом:

σ = A/NI. (Уравнение 10.10)

В результате такого анализа становится ясно, что для возбуждения реакции бомбардирующая частица должна попасть в определенную зону,