В делении сила. Ферми. Ядерная энергия - [17]
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)>N0 dN/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.
