Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики - [268]
Значение ядерного сечения варьируется в зависимости от свойств ядра-мишени и бомбардирующей частицы. В 1935 году итальянский физик Энрико Ферми (1901–1954) обнаружил, что вероятность ядерной реакции повышается, если бомбардирующие нейтроны проходят сквозь воду или парафин. Другими словами, после того как определенный нейтрон проходит сквозь воду или парафин, для этого нейтрона и конкретного ядра-мишени ядерное сечение увеличивается.
Проходя сквозь воду или парафин, нейтроны сталкиваются с легкими атомами. Эти атомы очень устойчивы и практически не присоединяют дополнительных нейтронов. (Другими словами, ядерное сечение поглощения нейтронов у этих атомов очень мало.) В результате нейтроны от этих атомов отталкивались.
Когда два объекта отталкиваются друг от друга, между ними происходит перераспределение кинетической энергии. Если один объект движется, а второй находится в состоянии покоя, то движущийся объект теряет какое-то количество энергии, а покоящийся — приобретает. Если масса объектов одинакова или почти одинакова, то энергия между ними разделится поровну.
Гораздо проще понять это, если взять вместо мельчайших субатомных частиц обычные предметы. Когда движущийся бильярдный шар сталкивается с шариком для пинг-понга, то, как и в случае столкновения нейтрона и электрона, шарик для пинг-понга отскочит в сторону с огромной скоростью, в то время как бильярдный шар, потеряв совсем немного энергии, продолжит движение в том же направлении. С другой стороны, если движущийся бильярдный шар столкнется с пушечным ядром, то, как и в случае столкновения нейтрона и ядра атома свинца, бильярдный шар отскочит, сохранив энергию, в то время как ядро останется практически нетронутым. Однако когда бильярдный шар сталкивается с бильярдным шаром, то уровень энергии и того и другого станет примерно одинаковым.
Получается, что наиболее эффективно нейтрон тормозится в случае столкновения с ядрами легких атомов, например водорода, бериллия или углерода, что и происходит, когда нейтрон проходит сквозь состоящие из таких атомов вещества, например воду или парафин. Такие вещества выступают в роли замедлителей. В конце концов нейтроны тормозятся до скорости движения содержащихся в атмосфере атомов и молекул под действием температуры (см. ч. I). Такие нейтроны называются тепловыми.
Но почему в результате замедления нейтронов ядерное сечение увеличивается? Давайте вспомним, что нейтроны обладают не только свойствами частиц, но и свойствами волн. В 1920-х годах было доказано, что электроны демонстрируют волновые свойства, как предсказывал Бройль (см. гл. 6), но оставалось неясным, относится ли это к незаряженным частицам. В 1936 году было обнаружено, что, проходя через кристаллы, нейтроны рассеиваются, значит, свойствами частиц и волн обладает любая материя, а не только электрически заряженная.
В процессе торможения частица теряет энергию, что приводит к увеличению длины испускаемой этой частицей волны. Таким образом, в процессе торможения нейтрон становится более «размытым» и «широким». Большой, медленный нейтрон с большей вероятностью попадет в ядро, чем маленький и быстрый, и поэтому с большей вероятностью вызовет ядерную реакцию. Кроме того, медленный нейтрон дольше остается в непосредственной близости с ядром-мишенью, что также увеличивает вероятность ядерной реакции.
Синтетические элементы
Появление в 1930-х годах новых методов стимулирования ядерных реакций привело не только к получению не встречающихся в природе изотопов, но и к созданию не существующих в природе элементов.
В 1930-х годах в таблице элементов с атомными числами от 1 до 92 включительно оставались всего четыре незаполненные клетки — 43, 61, 85 и 87.
Первым обнаружили элемент с атомным числом 43. Лоуренс, изобретатель циклотрона, подверг атомы молибдена бомбардировке дейтронами, в результате чего в ходе (d, n)-реакции образовался элемент номер 43:
В 1937 году образец облученного молибдена попал в руки к итальянскому физику Эмилио Сегре (1905–1989). Химическими способами он протестировал образец на предмет предполагаемого радиационного излучения элемента номер 43. Излучение действительно существовало, и таким образом было доказано, что элемент 43 действительно присутствует в молибдене. Так как этот элемент был первым элементом, созданным в результате вызванных человеком ядерных реакций, он получил название (технеций («искусственный»).
Технеций стал не только первым созданным человеком элементом, но и первым легким элементом (то есть атомное число которого меньше 84), не имеющим ни одного стабильного изотопа. Существуют не менее трех изотопов технеция с достаточно длинным периодом полураспада: технеций–97 — 2 600 000 лет, технеций–98 — 1 500 000 лет и технеций–99 — 210 000 лет. Тем не менее абсолютно стабильных изотопов технеция не существует. Так как продолжительность периодов полураспада мала по сравнению с возрастом Земли и так как изотопы технеция не являются членами какого-либо радиоактивного ряда, в земной коре технеций в измеримом количестве не встречается.
